KR20020077793A - Method for storing and retrieving digital image data from an imaging array - Google Patents
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Abstract
이미지 센서로부터의 디지털 정보를 저장하기 위한 방법에 있어서, 다수의 픽셀 위치들 각각에서 3색 출력 데이터를 생성하는 이미지 센서를 제공하는 단계; 이미지 센서에 결합된 디지털 저장 장치를 제공하는 단계; 이미지 센서로부터 3색 디지털 출력 데이터를 감지하는 단계; 및 상기 3색 출력 데이터에 대한 어떠한 보간도 수행하지 않고서 상기 3색 출력 데이터를 디지털 데이터로서 디지털 저장 장치 내에 저장하는 단계를 포함한다. 데이터는 저장 이전에 압축되고, 저장 장치로부터의 검색 후 압축 해제될 수 있다. 바람직한 실시예에서는, 이미지 센서가 트리플 접합 활성 픽셀 센서 어레이를 포함한다.CLAIMS 1. A method for storing digital information from an image sensor, comprising: providing an image sensor for generating three color output data at each of a plurality of pixel locations; Providing a digital storage device coupled to the image sensor; Sensing three-color digital output data from an image sensor; And storing the tricolor output data as digital data in a digital storage device without performing any interpolation on the tricolor output data. The data can be compressed before storage and decompressed after retrieval from the storage device. In a preferred embodiment, the image sensor comprises a triple junction active pixel sensor array.
Description
디지털 데이터를 포착, 처리, 저장 및 검색하는 과정은 디지털 이미징 분야에서는 일반적이다.The process of capturing, processing, storing and retrieving digital data is common in the field of digital imaging.
일반적으로, 디지털 이미지는 카메라와 같은 소스로부터 제공된다. 디지털,비디오, 및 텔레비젼 카메라를 포함하여, 디지털 이미징 분야에서는 많은 종류의 카메라가 널리 사용된다. 사용되는 카메라의 종류가 어떤 것이던지, 이미지는 종종 디지털 포맷으로 포착 및 저장되는 것이 바람직하고, 그 결과 이미지는 나중에 편집되거나 다른 방식으로 처리될 수 있다. 종래 기술에서는, 저장 이전에 디지털 이미지 데이터를 보간하고(interpolate), 압축하는 것이 일반적이다. 저장하기 전에 데이터를 처리하면, 종래 기술에서 지금까지 사용된 과정에서 본질적인 소정의 단점을 가진다.In general, digital images are provided from a source such as a camera. Many types of cameras are widely used in the field of digital imaging, including digital, video, and television cameras. Whatever the type of camera used, it is often desirable for images to be captured and stored in digital format, so that the images can later be edited or otherwise processed. In the prior art, it is common to interpolate and compress digital image data prior to storage. Processing the data prior to storage has certain disadvantages inherent in the processes used so far in the prior art.
먼저, 보간 과정은 디지털 이미지 데이터에 회복 불가능한 변화를 도입할 수 있다. 보간은 카메라 내에서 사용되는 센서 또는 카메라의 종류에 따라 발생하는 에러들에 대해 데이터를 보정하는 과정이다. 따라서, 사용되는 보간의 유형 또는 보간 처리에 대한 필요성은 전적으로 사용되는 이미징 과정의 특성에 따라 판단된다. 예를 들면, CCD(charge-coupled device) 또는 MOS(Metal oxide semiconductor) 트랜지스터를 포함하는 디지털 센서를 사용하는 것이 본 기술분야에서는 일반적이다. 센서 내에서, 가장 작은 분해 가능한 풀-컬러 이미지 구성성분("픽셀(pixel)")은 일반적으로 4개의 개별적인 센서; 2개의 녹색, 한 개의 청색 및 한 개의 적색으로 구성된다. 이러한 센서들은 3색 디지털 출력을 생성하기 위해 사용된다. 그러나, 각 픽셀을 구성하는 4개의 개별적인 센서를 분리하는, 작지만 한정된 거리에 의해 발생되는 왜곡에 대해 보정하기 위해서는 보간이 필수적이다. 이러한 보간의 결과는 종종 본래의 디지털 이미지의 크기를 많이 증가시킨다. 종종 데이터 크기의 이러한 증가는 3배정도이다. 크기상의 증가와 함께, 저장 이전에 실행되면 보간은 본래 데이터의 완전성(integrity)을 손상시킨다.First, the interpolation process can introduce an irreversible change in the digital image data. Interpolation is the process of correcting data for errors that occur according to the type of sensor or camera used in the camera. Thus, the type of interpolation used or the need for interpolation processing is entirely determined by the nature of the imaging process used. For example, it is common in the art to use digital sensors that include charge-coupled device (CCD) or metal oxide semiconductor (MOS) transistors. Within a sensor, the smallest resolution full-color image component ("pixel") generally comprises four individual sensors; It consists of two greens, one blue and one red. These sensors are used to generate three color digital outputs. However, interpolation is essential to correct for distortion caused by small but limited distances that separate the four individual sensors that make up each pixel. The result of such interpolation often increases the size of the original digital image significantly. Often this increase in data size is about three times. With the increase in size, interpolation compromises the integrity of the original data if executed before storage.
두 번째로, 보간 단계 이후에, 디지털 이미지 데이터는 종종 저장 이전에 압축된다. 방금 기술된 보간 작용 이후의 크기 증가때문에 뿐만 아니라, 텔레비젼 시스템과 같은 한정된 대역폭의 시스템을 통한 전송을 용이하기 위해서 종종 압축이 필수적이다. 그러나, 일반적으로 사용되는 압축 방법에서는, 일단 디지털 이미지가 압축되면, 본래의 상태로 복구될 수 없다. 본래의 압축되지 않은 디지털 이미지 데이터에 대한 액세스가 필요할 경우 이것은 중대한 단점이 된다.Secondly, after the interpolation step, the digital image data is often compressed before storage. Compression is often necessary not only because of the size increase after the interpolation just described, but also to facilitate transmission over a limited bandwidth system such as a television system. However, in the compression method generally used, once the digital image is compressed, it cannot be restored to its original state. This is a significant disadvantage if access to the original uncompressed digital image data is required.
저장 이전의 디지털 이미지 데이터의 보간 및 압축이 갖는 문제점은 스크린 또는 인쇄물에서 볼 경우 열악한 품질의 출력으로 분명히 나타난다. 실제로, 보간 또는 압축 기술은 종종 미세한 피치의 패브릭(fabric) 상에 모아레(moire) 패턴을 발생시키거나 또는 대상물의 미세한 라인들 사이 또는 에지를 따라 왜곡 및/또는 세부 묘사의 손실을 초래한다.The problem with interpolation and compression of digital image data prior to storage is evident in poor quality output when viewed on screen or in print. In practice, interpolation or compression techniques often generate moiré patterns on fine pitch fabrics or result in distortion and / or loss of detail along or between the fine lines of the object.
상기 배경에 비추어 볼 때, 디지털 이미지 데이터의 보간 및 압축과 연관된 문제점들을 제거하는 디지털 이미징 저장 및 검색 방법에 대한 필요성이 존재하는 것은 자명하다.In view of the above background, it is apparent that there is a need for a digital imaging storage and retrieval method that eliminates the problems associated with interpolation and compression of digital image data.
또한, 상기 배경의 측면에서, 디지털 이미지 저장 및 검색 시스템은 활성 픽셀 센서 어레이와 결합되는 것이 유리하다.Further, in view of the above background, it is advantageous for the digital image storage and retrieval system to be combined with an active pixel sensor array.
<발명의 요약>Summary of the Invention
본 발명에 따르면, 이미지 센서 어레이로부터의 디지털 정보를 저장하기 위한 방법은 복수의 픽셀 위치의 각각에서 3색 출력 데이터를 생성하는 이미지 센서어레이를 제공하는 단계; 이미지 센서 어레이에 연결된 디지털 저장 장치를 제공하는 단계; 이미지 센서 어레이로부터의 3색 출력 데이터를 감지하는 단계; 및 3색 출력 데이터에 대한 어떠한 보간도 수행하지 않고서, 디지털 저장 장치에 디지털 데이터로서 3색 디지털 출력 데이터를 저장하는 단계를 포함한다. 저장 단계는 RAM 등과 같은 반도체 메모리 장치를 사용하여 실행될 수 있다.According to the present invention, a method for storing digital information from an image sensor array comprises the steps of providing an image sensor array for generating three color output data at each of a plurality of pixel locations; Providing a digital storage device coupled to the image sensor array; Sensing tricolor output data from the image sensor array; And storing the tricolor digital output data as digital data in the digital storage device without performing any interpolation on the tricolor output data. The storing step can be performed using a semiconductor memory device such as a RAM or the like.
본 발명에 따른 다른 방법은 어레이내의 각각의 픽셀이 동일한 위치에서 각각의 원색들을 측정하는 트리플 접합 구조를 더 포함하는 이미지 센서 어레이로부터 얻어진 이미지에 대해 상기 방법을 사용한다.Another method according to the invention uses the method for an image obtained from an image sensor array further comprising a triple junction structure in which each pixel in the array measures respective primary colors at the same location.
또한, 본 발명에 따른 방법은 디지털 저장 장치 내에 3색 디지털 출력 데이터를 저장하는 단계 이전에 3색 디지털 출력 데이터에 손실없는 압축 동작을 실행하는 단계를 선택적으로 포함한다.Furthermore, the method according to the invention optionally comprises the step of performing a lossless compression operation on the three color digital output data prior to the step of storing the three color digital output data in the digital storage device.
본 발명은 디지털 이미지의 포착(capture), 저장, 및 검색에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 디지털 카메라와 같은 장치 내에 내장된 풀-컬러 RGB 이미징 어레이(imaging array)로부터의 픽셀 데이터를 저장 및 검색하기 위한 새로운 방법에 관한 것이다.The present invention relates to the capture, storage, and retrieval of digital images. More specifically, the present invention relates to a new method for storing and retrieving pixel data from a full-color RGB imaging array embedded in a device such as a digital camera.
또한, 본 발명은 활성 픽셀 센서 및 활성 픽셀 센서 어레이에 관한 것이다. 보다 구체적으로는, 본 발명은 활성 픽셀 센서의 각각이 트리플 접합 구조로 되어 어레이내의 각각의 픽셀 센서가 동일한 위치에서 3원색(R-G-B)의 각각을 측정하도록 보장하는 활성 픽셀 센서의 어레이에 관한 것이다.The invention also relates to an active pixel sensor and an active pixel sensor array. More specifically, the present invention relates to an array of active pixel sensors in which each of the active pixel sensors has a triple junction structure to ensure that each pixel sensor in the array measures each of the three primary colors (R-G-B) at the same location.
또한, 본 발명은 트리플 접합 활성 픽셀 센서 어레이 및 이 어레이에 의해 제공되는 데이터를 포착, 저장, 및 검색하는 새로운 방법을 채용하는 디지털 카메라와 같은 장치에 관한 것이다.The invention also relates to a device such as a digital camera employing a triple junction active pixel sensor array and new methods of capturing, storing and retrieving data provided by the array.
도 1은 잘 알려진 Bayer 컬러 필터 어레이(CFA) 패턴을 도시한다.1 illustrates a well known Bayer color filter array (CFA) pattern.
도 2는 도 1의 Bayer CFA로부터 유발된 적색, 녹색, 청색에 대한 나이키스트 영역(Nyquist domain)을 도시한다.FIG. 2 shows the Nyquist domains for red, green and blue derived from the Bayer CFA of FIG. 1.
도 3은 종래의 트윈 웰 CMOS 구조를 도시하는 부분 단면도이다.3 is a partial cross-sectional view showing a conventional twin well CMOS structure.
도 4는 종래의 트리플 접합 CMOS 구조를 도시하는 부분 단면도이다.4 is a partial cross-sectional view showing a conventional triple junction CMOS structure.
도 5는 본 발명에 따른 활성 픽셀 센서의 실시예에 사용되기에 적합한 이미저(imager)의 블록도이다.5 is a block diagram of an imager suitable for use in an embodiment of an active pixel sensor in accordance with the present invention.
도 6은 단일 저장 노드를 가진 기존의 활성 픽셀 센서 회로를 N채널 MOS로구현한 개략도이다.6 is a schematic diagram of an existing active pixel sensor circuit having a single storage node as an N-channel MOS.
도 7은 도 6에 도시된 활성 픽셀 센서의 동작을 도시하는 타이밍도이다.FIG. 7 is a timing diagram illustrating the operation of the active pixel sensor shown in FIG. 6.
도 8은 실리콘내의 광 흡수 길이 대 파장을 도시하는 그래프이다.8 is a graph showing the light absorption length versus wavelength in silicon.
도 9는 본 발명의 개념에 따라 트리플 접합 구조를 사용하는 3색 픽셀 센서를 도시하는 부분 단면도이다.9 is a partial cross-sectional view showing a three color pixel sensor using a triple junction structure in accordance with the inventive concept.
도 10은 본 발명에 따라 도 8의 트리플 접합 광다이오드 구조에 대한 예측된 감도 곡선의 세트를 도시하는 그래프이다.10 is a graph illustrating a set of predicted sensitivity curves for the triple junction photodiode structure of FIG. 8 in accordance with the present invention.
도 11, 12, 13, 14 및 15는 본 발명의 제1 내지 제5 실시예에 따라 다수의 저장 노드를 가진 활성 픽셀 센서의 개략도이다.11, 12, 13, 14 and 15 are schematic diagrams of active pixel sensors with multiple storage nodes according to the first to fifth embodiments of the present invention.
도 16A 및 16B는 본 발명에 따라 도 15에 도시된 활성 픽셀 센서의 동작에 대한 선택적인 타이밍도이다.16A and 16B are optional timing diagrams for the operation of the active pixel sensor shown in FIG. 15 in accordance with the present invention.
도 17은 이미징 어레이로부터의 3색 디지털 출력 데이터에 대해 실행되는 보간 단계, 손실있는 압축 단계, 및 데이터 저장, 데이터 검색, 및 압축 해제 단계를 나타내는 종래 기술의 이미지 포착 및 디스플레이 시스템의 블록도이다.FIG. 17 is a block diagram of a prior art image capture and display system showing interpolation steps, lossy compression steps, and data storage, data retrieval, and decompression steps performed on three color digital output data from an imaging array.
도 18A 및 18B는 본 발명에 따라 압축하지 않는 이미지 포착 및 디스플레이 시스템 및 방법의 선택적인 실시예의 블록도이다.18A and 18B are block diagrams of alternative embodiments of an uncompressed image capture and display system and method in accordance with the present invention.
도 19A 및 19B는 본 발명에 따라 압축을 사용하는 이미지 포착 및 디스플레이 시스템 및 방법의 선택적인 실시예의 블록도이다.19A and 19B are block diagrams of alternative embodiments of image capture and display systems and methods using compression in accordance with the present invention.
본 발명에 대한 아래의 설명은 단지 예시적인 것이며 결코 제한하고자 하는것이 아니라는 것을 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 이해할 것이다. 본 발명의 다른 실시예들은 이러한 개시의 혜택을 받는 숙련된 사람들에게 용이하게 떠오를 것이다.It will be understood by those skilled in the art that the following description of the invention is illustrative only and is not intended to be limiting. Other embodiments of the invention will be readily apparent to those skilled in the art having the benefit of this disclosure.
본 발명에서 사용하기에 적합한 풀 RGB 이미저는 1999년 12월 4일에 출원된 동시 계류 중인 출원 번호 09/290,361에 설명되어 있다. 상기 출원에는 트리플 접합 구조를 포함하는 활성 픽셀 이미징 어레이가 설명되어 있다. 트리플 접합 구조의 이점은 어레이내의 각각의 픽셀이 동일한 위치에서 각각의 원색을 측정하여, 보간에 대한 필요성을 최소화하거나 또는 제거한다는 것이다.Full RGB imagers suitable for use in the present invention are described in co-pending application number 09 / 290,361, filed December 4, 1999. The application describes an active pixel imaging array comprising a triple junction structure. The advantage of the triple junction structure is that each pixel in the array measures each primary at the same location, minimizing or eliminating the need for interpolation.
풀 RGB 이미저의 또 다른 이점은 단일 픽셀에 대해 포착된 적색, 녹색, 및 청색 이미지 정보의 모두가 종래 기술의 이미징 시스템의 픽셀 클러스터(pixel cluster) 보다 작은 공간 내에 포함되어, 보다 미세한 해상도가 가능하다는 것이다. 본 발명에 따른 전형적인 시스템에서는, 풀 RGB 이미저는 예를 들면 640 x 480 3층 RGB 풀 컬러 픽셀 센서의 어레이로 이루어져 있어 이미지 데이터세트내의 픽셀 데이터의 전체 M=921,600의 개별적인 바이트들을 제공한다. 본 발명의 이러한 측면에 따라 사용될 수 있는 보다 조밀한 이미저의 예시적이고 제한적이지 않은 예는 이미지 데이터세트내의 픽셀 데이터의 전체 M=18,000,000 바이트에 대해 3000 픽셀 센서 x 2000 픽셀 센서 (적색, 녹색, 청색에 대해 x3)의 어레이로 구성될 수 있는 이미저이다. 풀 RGB 이미저의 선택적인 실시예는 비디오 카메라 분야에 공지된 바와 같이 광학적으로 서로 정렬된 3개 어레이를 가진 3색 컬러 분리 프리즘내의 3개의 간단한 센서 어레이의 어셈블리이다.Another advantage of a full RGB imager is that all of the red, green, and blue image information captured for a single pixel is contained within a smaller space than the pixel cluster of prior art imaging systems, enabling finer resolution. will be. In a typical system according to the present invention, a full RGB imager consists of an array of, for example, a 640 x 480 three-layer RGB full color pixel sensor, providing a total M = 921,600 individual bytes of pixel data in the image dataset. An illustrative, non-limiting example of a denser imager that can be used in accordance with this aspect of the present invention is a 3000 pixel sensor x 2000 pixel sensor (red, green, blue) for the total M = 18,000,000 bytes of pixel data in the image dataset. Is an imager that can be configured as an array of x3). An alternative embodiment of a full RGB imager is an assembly of three simple sensor arrays in a tricolor color separation prism with three arrays optically aligned with each other as is known in the video camera art.
본 발명에서 사용된 풀 RGB 이미저는 거의 간격만큼 큰 민감한 영역을 가진 동일한 위치에서 서로 다른 컬러를 측정하기 위해 서로 다른 파장을 갖는 광의 실리콘내의 흡수 길이의 차이를 이용하도록 트리플 접합 픽셀 셀 구조를 사용하는 활성 픽셀 MOS 이미징 어레이의 컬러 분리에 관한 것이다.The full RGB imager used in the present invention employs a triple junction pixel cell structure to exploit the difference in absorption length in silicon of light with different wavelengths to measure different colors at the same location with sensitive areas as large as spacing. It relates to color separation of an active pixel MOS imaging array.
본 발명에서, 청색, 녹색, 및 적색 광을 분리하는 컬러 광센서 구조는 P-형 실리콘 바디에 형성된다. 컬러 광센서 구조는 트리플 스택 광다이오드를 구현하는 버티컬 PNPN 장치를 포함하고 P-형 실리콘 바디 내에 형성된 제1 N-도핑 영역, 제1 N-도핑 영역 내에 형성된 P-도핑 영역, 및 P-도핑 영역 내에 형성된 제2 N-도핑 영역을 포함한다. 본 발명에 따르면 컬러 광센서 구조를 제조하기 위해 트리플 웰 공정이 사용된다. 트리플 웰 CMOS 공정의 일반적인 N웰은, 이미저 셀들의 어레이 외부에서 동일한 칩 상에 사용하는 것이 유용할 지라도, 본 발명의 컬러 광센서 구조에는 사용되지 않는다.In the present invention, a color photosensor structure for separating blue, green, and red light is formed in the P-type silicon body. The color photosensor structure includes a vertical PNPN device that implements a triple stack photodiode and includes a first N-doped region formed in a P-type silicon body, a P-doped region formed in a first N-doped region, and a P-doped region. A second N-doped region formed therein. According to the present invention a triple well process is used to fabricate the color light sensor structure. A typical N well of a triple well CMOS process is not used in the color light sensor structure of the present invention, although it would be useful to use it on the same chip outside of an array of imager cells.
컬러 광센서 구조에서, P-형 실리콘 바디와 제1 N-도핑 영역 사이에 형성된 pn 접합은 실리콘내의 적색 광의 흡수 길이와 거의 동일한 실리콘내의 소정의 깊이에서 적색-감응 광다이오드를 정의하고, 제1 N-도핑 영역과 P-도핑 영역사이에 형성된 pn 접합은 실리콘내의 녹색 광의 흡수 길이와 거의 동일한 실리콘내의 소정의 깊이에서 녹색-감응 광다이오드를 정의하며, P-도핑 영역과 제2 N-도핑 영역 사이에 형성된 pn 접합은 청색 광의 흡수 길이와 거의 동일한 실리콘내의 소정의 깊이에서 청색-감응 광다이오드를 정의한다. 감지 회로는 적색, 녹색, 및 청색 광다이오드에 연결되어 각각의 광다이오드 전류를 통합하고 저장한다.In a color photosensor structure, the pn junction formed between the P-type silicon body and the first N-doped region defines a red-sensitive photodiode at a predetermined depth in silicon that is approximately equal to the absorption length of red light in the silicon, and the first The pn junction formed between the N-doped region and the P-doped region defines a green-sensitive photodiode at a predetermined depth in silicon that is approximately equal to the absorption length of the green light in the silicon, and the P-doped region and the second N-doped region The pn junction formed between defines a blue-sensitive photodiode at a predetermined depth in silicon that is approximately equal to the absorption length of blue light. The sense circuitry is coupled to the red, green, and blue photodiodes to integrate and store respective photodiode currents.
본 발명에서 사용되는 풀 RGB 이미저는 이미징 에러이내의 모든 픽셀들이 픽셀 구조내의 동일한 위치에서 적색, 녹색, 및 청색 컬러 응답을 측정할 수 있도록 보장함으로써 컬러 앨리어싱 아티팩트들(color aliasing artifacts)을 감소시킨다. 적색, 녹색 및 청색 광의 실리콘내의 흡수 길이의 차이를 이용하여 컬러 여과(color filtration)가 일어난다.The full RGB imager used in the present invention reduces color aliasing artifacts by ensuring that all pixels within the imaging error can measure the red, green, and blue color response at the same location in the pixel structure. Color filtration occurs using the difference in absorption length in silicon of red, green and blue light.
본 발명에서 사용된 풀 컬러 RGB 이미저는 컬러 앨리어싱의 감소이외의 다른 장점들도 제공한다. 예를 들면, 종래 기술에서 일반적인 복합 폴리머 컬러 필터 어레이(complex polymer color filter array) 공정 단계를 제거한다. 대신에, 반도체 산업에서 일반적으로 사용 가능한 트리플 접합 공정이 사용된다. 또한, 이용 가능한 광자(photon)의 전체적인 사용 효율이 증가된다. 전통적인 접근 방식으로는, 필터 재료를 통과하지 못한 광자는 필터에 흡수되고 소모된다. 본 발명의 접근 방식에서는, 광자는 흡수 깊이에 의해 분리되지만, 모두 수집되어 사용된다. 따라서, 약 3의 인자 정도로 양(quantum)의 전체적인 개선이 효율적으로 이루어진다.The full color RGB imager used in the present invention provides other advantages besides the reduction of color aliasing. For example, it eliminates the complex polymer color filter array process steps that are common in the prior art. Instead, triple bonding processes are commonly used in the semiconductor industry. In addition, the overall use efficiency of the available photons is increased. In the traditional approach, photons that do not pass through the filter material are absorbed and consumed by the filter. In the approach of the present invention, photons are separated by absorption depth, but all are collected and used. Thus, the overall improvement of the quantum is made efficiently by a factor of about 3.
본 발명에서 사용되는 풀 RGB 이미저는 종래의 CCD 기술로는 구현이 어려운 이미저의 우수한 예를 제공한다. 또한, 본 발명은 각각의 3색 픽셀에 많은 서포트 트랜지스터(support transistor)가 존재한다는 점에서 스케일된 CMOS 공정의 이용 가능성에 대한 이점이 있다.The full RGB imager used in the present invention provides an excellent example of an imager that is difficult to implement with conventional CCD technology. In addition, the present invention has the advantage of the availability of a scaled CMOS process in that there are many support transistors in each of the three color pixels.
광의 컬러를 측정하기 위한 반도체 장치는 비이미징 기술 분야(non-imaging art)에서는 알려져 있다. 이러한 장치들은 파장에 따라 광자 흡수 깊이의 변화에의존하는 다양한 기술로 제작된다. "Semiconductor Radiation Wavelength Detector"란 제목의 미국 특허번호 4,011,016 및 "Apparatus for Sensing the Wavelength and Intensity of Light"라는 제목의 미국 특허번호 4,309,604에 실시예들이 개시되어 있다. 그러나, 3색 집적 회로 컬러 센서 또는 이미징 어레이에 대한 구조는 어떤 특허에도 개시되어 있지 않다.Semiconductor devices for measuring the color of light are known in the non-imaging art. These devices are manufactured with a variety of techniques that rely on changes in photon absorption depth with wavelength. Embodiments are disclosed in US Pat. No. 4,011,016 entitled "Semiconductor Radiation Wavelength Detector" and US Pat. No. 4,309,604, entitled "Apparatus for Sensing the Wavelength and Intensity of Light." However, the structure for a tricolor integrated circuit color sensor or imaging array is not disclosed in any patent.
이미징 분야에서, 광전하를 축적하고 이동시키기 위해 복수의 매립 채널을 갖는 CCD 장치는 알려져 있다. 이러한 장치들은 제조하기 어렵고 비용이 많이 들며 3색 응용에는 실용적이지 않다. "Color Responsive Imaging Device Employing Wavelength Dependent Semiconductor Optical Absorption"이란 제목의 미국 특허번호 4,613,895는 그러한 장치의 일례를 개시하고 있다. 또한, 이러한 카테고리는 이미저 집적 회로의 상부에 적용된 박막 감광 재료의 층들을 사용하는 장치들을 포함한다. 이러한 기술의 일례는 "Color Sensor"라는 제목의 미국 특허번호 4,677,289 및 "Visible/Infrared Imaging Device with Stacked Cell Structure"라는 제목의 미국 특허번호 4,651,001에 개시되어 있다. 이러한 구조들도 제조하기 어렵고 비용이 많이 들며 실용적이지 않다.In the field of imaging, CCD devices having a plurality of buried channels for accumulating and moving photocharges are known. These devices are difficult and expensive to manufacture and are not practical for tricolor applications. US Patent No. 4,613,895 entitled "Color Responsive Imaging Device Employing Wavelength Dependent Semiconductor Optical Absorption" discloses one example of such a device. This category also includes devices that use layers of thin film photosensitive material applied on top of the imager integrated circuit. Examples of such techniques are disclosed in US Pat. No. 4,677,289 entitled "Color Sensor" and US Pat. No. 4,651,001 entitled "Visible / Infrared Imaging Device with Stacked Cell Structure." Such structures are also difficult to manufacture, expensive and impractical.
서로 다른 광센서 위치에서 서로 다른 파장 대역을 선택하기 위해 컬러 필터 모자이크를 사용하는 컬러 이미징 집적 회로는 이미징 분야에 알려져 있다. "Color Imaging Array"라는 제목의 미국 특허번호 3,971,065는 이러한 기술을 개시하고 있다. Parulski 등의 "Enabling Technologies for Family of Digital Cameras", 1996, 156/SPIE Vol.2654에서 검토된 바와 같이, 디지털 카메라에서 일반적으로 사용되는 하나의 픽셀 모자이크 패턴은 Bayer 컬러 필터 어레이(CFA) 패턴이다.Color imaging integrated circuits using color filter mosaics to select different wavelength bands at different light sensor locations are known in the imaging art. US Patent No. 3,971,065 entitled "Color Imaging Array" discloses this technique. As reviewed by Parulski et al. "Enabling Technologies for Family of Digital Cameras", 1996, 156 / SPIE Vol. 2654, one pixel mosaic pattern commonly used in digital cameras is a Bayer color filter array (CFA) pattern.
도 1에 도시된 바와 같이, Bayer CFA는 체커보드(checkerboard)에 배열된 50% 녹색 픽셀을 가진다. 패턴의 나머지를 채우기 위하여 적색 및 청색 픽셀의 교호하는 라인들이 사용된다. 도 2에 도시된 바와 같이, Bayer CFA 패턴은 녹색에 대해서는 다이아몬드 형태의 나이키스트 영역을, 적색 및 청색에 대해서는 직사각형 형태의 나이키스트 영역을 발생시킨다. 인간의 눈은 색차(chrominance) 보다는 휘도(luminance)의 높은 공간 주파수에 보다 민감하고, 휘도는 주로 녹색 광으로 구성된다. 그러므로, Bayer CFA는 단색 이미저로서 수평 및 수직 공간 주파수에 대해 동일한 나이키스트 주파수를 제공하기 때문에, 디지털 이미지의 인지되는 선명도는 개선된다.As shown in FIG. 1, the Bayer CFA has 50% green pixels arranged on a checkerboard. Alternate lines of red and blue pixels are used to fill the rest of the pattern. As shown in FIG. 2, the Bayer CFA pattern generates a Nyquist region in a diamond shape for green and a Nyquist region in a rectangular shape for red and blue. The human eye is more sensitive to high spatial frequencies of luminance rather than chrominance, and the luminance consists mainly of green light. Thus, because Bayer CFA provides the same Nyquist frequency for horizontal and vertical spatial frequencies as a monochrome imager, the perceived sharpness of the digital image is improved.
센서가 그들의 간격과 비교할 경우 작아서 이미지 신호를 국부적으로 샘플하고, 서로 다른 컬러에 대한 센서는 서로 다른 위치에 있어 컬러들사이에서 샘플들이 정렬되지 않는다는 사실에 의한 심각한 컬러 앨리어싱 문제와 이러한 모자이크 접근 방식이 연관되어 있다는 것은 이 분야에는 알려져 있다. 나이키스트 영역 바깥의 이미지 주파수 성분은 컬러들사이에서 작은 감쇄 및 작은 상관을 가진 샘플된 이미지로 앨리어스된다.This mosaic approach and the serious color aliasing problem caused by the fact that the sensors are small when compared to their spacing locally sample the image signal, and that the sensors for different colors are in different locations, cause the samples to not be aligned between colors. It is known in the art that it is related. Image frequency components outside the Nyquist region are aliased to the sampled image with small attenuation and small correlations between colors.
상기 CCD 컬러 이미징 어레이의 토의에서 지적된 바와 같이, 어레이를 제조하는데 사용되는 반도체 공정들은 구현하기 어렵고 비싸다. 그러나, CMOS 기술은 보다 비용이 적게 들고 보다 쉽게 구현될 수 있다는 것으로 알려져 있다.As pointed out in the discussion of the CCD color imaging array, semiconductor processes used to fabricate the array are difficult and expensive to implement. However, it is known that CMOS technology is less expensive and easier to implement.
도 3을 참조하면, 많은 현대의 CMOS 집적 회로 제조 공정은, 대략 1017원자/㎤ 의 도핑 밀도를 갖는 N웰 영역(12) 및 P웰 영역(10)이 각각 P-채널 및 N-채널 트랜지스터를 만드는 영역으로서 사용되는, "트윈-웰(twin-well)" 또는 "트윈-터브(twin-tub)" 구조를 사용한다. 기판 재료(14)는 일반적으로 보다 낮게 도핑된 P-형 실리콘(1015원자/㎤)이고, P웰(10)은 기판(14)으로부터 분리되지 않는다. P웰(10)에 형성되는 N-채널 FET(16)는 1018원자/㎤ 보다 큰 불순물 농도를 갖는 일반적인 N+ 소스/드레인 확산(18) 및 대략 1018원자/㎤ 정도의 농도를 갖는 N-형의 얕은 낮게 도핑된 확산(shallow LDD) 영역(20)을 포함한다. N웰 영역(20)에 형성되는 P-채널 FET(22)는 유사한 불순물 농도를 갖는 일반적인 P+ 소스/드레인 영역(24) 및 얕은 LDD 영역(26)을 사용하여 유사하게 구성된다.Referring to FIG. 3, many modern CMOS integrated circuit fabrication processes have shown that N well region 12 and P well region 10 having a doping density of approximately 10 17 atoms / cm 3 are P-channel and N-channel transistors, respectively. It uses a "twin-well" or "twin-tub" structure, which is used as the region for making the cavities. Substrate material 14 is generally lower doped P-type silicon (10 15 atoms / cm 3) and P well 10 is not separated from substrate 14. N- channel FET formed on the P well 10, 16 having an N- 10 18 atoms / ㎤ than the concentration of a typical N + source / drain diffusion 18, and approximately 10 18 atoms / ㎤ degree having a greater impurity concentration A shallow shallow doped diffusion (20) region of the type. The P-channel FET 22 formed in the N well region 20 is similarly constructed using a typical P + source / drain region 24 and a shallow LDD region 26 having similar impurity concentrations.
도 4에서, "트리플 웰"로 알려진 개선된 처리에서, P형 기판(14)으로부터 P웰(10)을 접합 분리시키기 위하여 추가로 깊은 N 분리 웰(28)이 사용된다. N 분리 웰(28)(1016atoms/㎤)의 불순물 농도는 P형 기판(14)의 불순물 농도와 P웰(각기, 1015atoms/㎤ 및 1017atoms/㎤) 사이에서 정해진다. 트리플 웰 기술의 예는 미국 특허 제5,397,734호, "Method of Fabricating a Semiconductor Device Having a Triple Well Structure"에 기술되어 있다.In FIG. 4, in an improved process known as "triple well", an additional deep N isolation well 28 is used to bond the P well 10 away from the P-type substrate 14. The impurity concentration of the N separation well 28 (10 16 atoms / cm 3) is determined between the impurity concentration of the P-type substrate 14 and the P wells (10 15 atoms / cm 3 and 10 17 atoms / cm 3, respectively). Examples of triple well techniques are described in US Pat. No. 5,397,734, "Method of Fabricating a Semiconductor Device Having a Triple Well Structure."
트리플 웰 처리는, 기판을 통하여 확산될 수 있는 부유(stray) 소수 캐리어로부터 동적 전하 저장 노드의 효과적인 분리를 제공하기 때문에, MOS 메모리(DRAM) 소자를 제조하는데 대중적이며 경제적이다.Triple well processing is popular and economical for manufacturing MOS memory (DRAM) devices because it provides effective separation of dynamic charge storage nodes from stray minority carriers that can diffuse through the substrate.
저장 픽셀 센서는 본 기술분야에 알려져 있다. 저장 픽셀에서, 광변환기 (phototransducer)에 의해 수신된 광의 세기를 나타내는 데이터는, 판독가능하고 적절한 제어 회로로 삭제될 수 있는 저장 소자에 저장된다.Storage pixel sensors are known in the art. In storage pixels, data indicative of the intensity of light received by a phototransducer is stored in a storage element that is readable and can be erased with an appropriate control circuit.
도 5는 본 발명에 따라 사용하기에 적절한 활성 픽셀 이미저(30)의 블록도이다. 이미저(30)에서, 활성 픽셀 센서는 픽셀 센서 어레이(32)에 행렬 형태로 배열되어 있다. 픽셀 센서 어레이(32)에서 아날로그 픽셀 정보를 추출하여 아날로그 디지털 컨버터(ADC)(34)로 처리하기 위하여, 로우 디코더(36), 컬럼 샘플링 회로(38), 및 카운터(40)가 제공된다. 로우 디코더(34)는 로우 인에이블 신호(42)와 카운터(40)로부터의 신호에 응답하여 픽셀 센서 어레이(32)에서 로우를 선택한다. 또한 컬럼 샘플링 회로(38)는, 카운터(40)에 의해 구동되며, 카운터(40)로부터의 신호에 응답하여 바람직하게는 ADC에 샘플된 컬럼을 결합하는 멀티플렉서를 더 포함한다.5 is a block diagram of an active pixel imager 30 suitable for use in accordance with the present invention. In the imager 30, the active pixel sensors are arranged in a matrix form in the pixel sensor array 32. In order to extract analog pixel information from the pixel sensor array 32 and process it with an analog-to-digital converter (ADC) 34, a row decoder 36, a column sampling circuit 38, and a counter 40 are provided. The row decoder 34 selects a row in the pixel sensor array 32 in response to the row enable signal 42 and the signal from the counter 40. The column sampling circuit 38 further comprises a multiplexer, driven by the counter 40, for coupling the sampled columns to the ADC, preferably in response to a signal from the counter 40.
일반적인 실시에서는, 로우 디코더 회로(36)에 의해 다음 로우가 선택되기 전에, 카운터(40)로부터의 고차(higher-order) 비트가 사용되어 로우 디코더 회로(36)를 구동하고, 저차(lower-order) 비트가 사용되어 컬럼 샘플링 회로(38)를 구동해서, 픽셀 센서 어레이(32)의 로우로부터 모든 픽셀 정보를 추출할 수 있게 된다. 이미저(30)에서 주로 사용되는 로우 디코더, 내장 멀티플렉서를 갖는 컬럼 샘플링 회로, 및 카운터는, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자들에게 널리 알려져 있으며 설명이 복잡하게 되어 본 발명이 불명확해지는 것을 피하기 위하여 상세한 설명은 하지 않는다.In a typical implementation, the higher-order bits from the counter 40 are used to drive the row decoder circuit 36 and lower-order before the next row is selected by the row decoder circuit 36. Bit is used to drive the column sampling circuit 38 to extract all pixel information from the rows of the pixel sensor array 32. Row decoders, column sampling circuits with built-in multiplexers, and counters, which are mainly used in imager 30, are well known to those of ordinary skill in the art and are complicated to explain, thus making the present invention unclear. No detailed explanation is given to avoid.
도 6에서, 단일의 내장 저장 소자를 갖는 알려진 활성 픽셀 센서(50)의 개략적인 도면이 개시된다. 활성 픽셀 센서(50)는 N 채널 MOS 트랜지스터로 실현된다. 그 밖에도, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자들은 활성 픽셀 센서(50)가 P 채널 MOS 트랜지스터로 실현되거나 P 채널 및 N 채널 MOS 트랜지스터의 결합으로 실현될 수 있다는 것을 인식할 것이다. 활성 픽셀 센서(50)에서, 광다이오드(52)의 애노드는 접지에 연결되고 캐소드는 N 채널 MOS 리셋 트랜지스터(54)의 소스에 접속된다. N 채널 MOS 리셋 트랜지스터(54)의 드레인은 Vref에 접속되고, N 채널 MOS 리셋 트랜지스터(54)의 게이트는 도 5에서 참조 번호 44로 표시되는 글로벌 RESET 라인에 접속된다. 그 리셋 라인(RESET)은 바람직하게는 광다이오드(52)의 캐소드를 Vref로 설정하기 위하여 적어도 Vref 이상의 임계 전압으로 구동된다.In FIG. 6, a schematic diagram of a known active pixel sensor 50 with a single embedded storage element is disclosed. The active pixel sensor 50 is realized with an N channel MOS transistor. In addition, those skilled in the art will recognize that the active pixel sensor 50 can be realized as a P channel MOS transistor or a combination of P and N channel MOS transistors. In the active pixel sensor 50, the anode of the photodiode 52 is connected to ground and the cathode is connected to the source of the N-channel MOS reset transistor 54. The drain of the N-channel MOS reset transistor 54 is connected to Vref, and the gate of the N-channel MOS reset transistor 54 is connected to the global RESET line indicated by reference numeral 44 in FIG. The reset line RESET is preferably driven at a threshold voltage of at least Vref or higher to set the cathode of the photodiode 52 to Vref.
또한 광다이오드(52)의 캐소드는 N 채널 MOS 전송 트랜지스터(56)의 제1 소스/드레인에 접속된다. N 채널 MOS 전송 트랜지스터(56)의 제2 소스/드레인은 저장 소자(58)의 제1 단자에 접속되며 N 채널 MOS 판독 트랜지스터(60)의 게이트에 접속된다. 저장 소자(58)의 제2 단자는 접지로 도시된 기준 전위에 접속된다. N 채널 MOS 전송 트랜지스터(56)의 게이트는 도 5에서 참조 번호 46으로 표시되는 글로벌 XFR 라인에 접속된다. N 채널 MOS 전송 트랜지스터(56)의 제2 소스/드레인이, 저장 소자(58)의 제1 단자 및 N 채널 MOS 트랜지스터(60)의 게이트에 접속됨으로써 저장 노드(62)를 형성한다. N 채널 MOS 판독 트랜지스터(60)의 드레인은 Vcc에 접속되고, N 채널 MOS 판독 트랜지스터(60)의 소스는 N 채널 MOS 로우 선택 트랜지스터(64)의 드레인에 접속된다. N 채널 MOS 로우 선택 트랜지스터(64)의 게이트는 ROW SELECT 라인에 접속되고, 그 중의 하나의 라인은 도 5에서 참조 번호 48로 표시되며, N 채널 MOS 로우 선택 트랜지스터(64)의 소스는 컬럼 출력 라인에 접속된다.The cathode of photodiode 52 is also connected to the first source / drain of N-channel MOS transfer transistor 56. The second source / drain of the N-channel MOS transfer transistor 56 is connected to the first terminal of the storage element 58 and to the gate of the N-channel MOS read transistor 60. The second terminal of the storage element 58 is connected to a reference potential shown as ground. The gate of the N-channel MOS transfer transistor 56 is connected to the global XFR line, indicated at 46 in FIG. The second source / drain of the N-channel MOS transfer transistor 56 is connected to the first terminal of the storage element 58 and the gate of the N-channel MOS transistor 60 to form the storage node 62. The drain of the N-channel MOS read transistor 60 is connected to Vcc, and the source of the N-channel MOS read transistor 60 is connected to the drain of the N-channel MOS row select transistor 64. The gate of the N-channel MOS row select transistor 64 is connected to the ROW SELECT line, one of which is indicated by reference numeral 48 in FIG. 5, and the source of the N-channel MOS row select transistor 64 is a column output line. Is connected to.
저장 노드(62)와 관련하여서는, N 채널 MOS 전송 트랜지스터(56)는 후속될 통합 기간이 끝났을 때 광다이오드(52)의 캐소드에 의해 광전하가 더 이상 모이지 않도록 저장 노드(62)를 격리시키고, N 채널 MOS 판독 트랜지스터(60)는 저장 노드(62)에 축적되는 전하를 검출하고, 저장 소자(58)는 전하를 저장한다는 것을 인식해야 한다. 또한, 발명자가 R. B. Merrill과 Richard F. Lyon이며 본 발명의 양수인에게 양도된 1998년 6월 17일자로 출원되어 현재 계류중인, 미국 특허 출원 제09/099,116호, "ACTIVE PIXEL SENSOR WITH BOOTSTRAP AMPLIFICATION"에도 개시되며, 또한 여기서 참조로 명확하게 포함되는 바와 같이, 저장 소자(58)가 생략되고 N 채널 MOS 판독 트랜지스터(60)의 게이트 또는 전하를 저장하는 다른 전하 충전 수단에 저장된 전하가 사용될 수도 있다.With regard to storage node 62, N-channel MOS transfer transistor 56 isolates storage node 62 so that photocharge no longer collects by the cathode of photodiode 52 at the end of the subsequent integration period, It should be appreciated that the N channel MOS read transistor 60 detects the charge that accumulates in the storage node 62 and the storage element 58 stores the charge. Also in US Patent Application No. 09 / 099,116, "ACTIVE PIXEL SENSOR WITH BOOTSTRAP AMPLIFICATION," filed June 17, 1998, filed on June 17, 1998, assigned to the assignee of the present invention by RB Merrill and Richard F. Lyon. As disclosed and also explicitly incorporated herein by reference, a storage element 58 may be omitted and a charge stored in the gate of the N-channel MOS read transistor 60 or in other charge charging means for storing the charge may be used.
활성 픽셀 센서(50)의 동작을 더욱 상세히 이해하기 위하여, 도 7의 타이밍 도에서, 도 6에 도시된 RESET 신호, XFR 신호, 및 ROW SELECT 신호의 타이밍을 나타낸다. 활성 픽셀(50)은, 66과 68에서 RESET 신호와 XFR 신호의 하이 레벨로 나타내는 바와 같이 N 채널 MOS 리셋 트랜지스터(54)와 N 채널 MOS 전송 트랜지스터(56)를 턴 온시킴으로써, 리셋된다. 그 후에, N 채널 MOS 리셋 트랜지스터(54)가 RESET(66)의 하강 에지(70)에서 턴 오프됨으로써, 광다이오드(52)로부터의 광전류가 통합되기 시작한다. 광전류의 통합 기간은 부호 72로 표시된다.In order to understand the operation of the active pixel sensor 50 in more detail, in the timing diagram of FIG. 7, the timing of the RESET signal, the XFR signal, and the ROW SELECT signal shown in FIG. The active pixel 50 is reset by turning on the N-channel MOS reset transistor 54 and the N-channel MOS transfer transistor 56 as indicated by the high levels of the RESET signal and the XFR signal at 66 and 68. Thereafter, the N-channel MOS reset transistor 54 is turned off at the falling edge 70 of the RESET 66, so that the photocurrent from the photodiode 52 begins to integrate. The integration period of the photocurrent is indicated by reference numeral 72.
N 채널 MOS 전송 트랜지스터(56)가 턴 온되는 동안, 저장 소자(58)의 커패시턴스에는 광다이오드(52)의 커패시턴스가 통합 기간동안 더해지며, 그에 따라 전하 용량 및 활성 픽셀 센서(50)의 범위가 증가한다. 이것은 또한 저장 소자(58)가 형성되는 게이트 산화물 커패시턴스가 광다이오드(52)의 접합 커패시턴스보다 더 잘 제어되기 때문에, 커패시턴스의 불안정으로 인한 픽셀 출력의 변화를 감소시킨다.While the N-channel MOS transfer transistor 56 is turned on, the capacitance of the storage element 58 is added to the capacitance of the photodiode 52 during the integration period, so that the charge capacitance and the range of the active pixel sensor 50 are Increases. This also reduces the variation in pixel output due to capacitance instability because the gate oxide capacitance on which the storage element 58 is formed is better controlled than the junction capacitance of the photodiode 52.
통합이 완료되면(외부 노광 제어에 의해 결정됨), N 채널 MOS 전송 트랜지스터(56)는 XFR의 하강 에지(74)에서 턴 오프되어 저장 소자(58)에서 통합된 광전하에 대응하는 전압 레벨을 격리시킨다. 그 직후에, 바람직하게는 광다이오드(52) 자체는 RESET의 상승 에지(76)로 표시된 바와 같이 N 채널 MOS 리셋 트랜지스터(54)가 다시 턴 온됨으로써 기준 전압으로 리셋된다. 이러한 동작은 광다이오드(52)가, 판독 과정동안 계속 통합되고 바디내로 과잉 전하가 오버플로되어, 저장 소자(58)에 대한 신호의 통합에 영향을 줄 수 있는 것을 방지한다.Once the integration is complete (as determined by external exposure control), the N-channel MOS transfer transistor 56 is turned off at the falling edge 74 of the XFR to isolate the voltage level corresponding to the integrated photocharge in the storage element 58. . Immediately thereafter, the photodiode 52 itself is preferably reset to the reference voltage by turning on the N-channel MOS reset transistor 54 again, as indicated by the rising edge 76 of RESET. This operation prevents the photodiode 52 from continuing to integrate during the readout process and excess charge overflow into the body, affecting the integration of the signal to the storage element 58.
N 채널 MOS 전송 트랜지스터(56)가 턴 오프된 이후에, 판독 과정이 시작될 수 있다. 한 행내의 각 활성 픽셀 센서는, 도 7에 도시한 ROW SELECT 신호 펄스가 활성 픽셀 센서(60)의 N 채널 MOS 로우 선택 트랜지스터(64)의 게이트로 인가될때, 판독된다. 활성 픽셀 센서(50)의 동작시에, 저장 노드(62)에서 나타나는 전압에 관련된 전압은 N 채널 MOS 판독 트랜지스터(50)에 의해 감지되고, N 채널 로우 선택 트랜지스터(64)가 턴 온되면 컬럼 출력 라인으로 걸린다. XFR 신호는 모든 행이 판독되거나 다른 사이클이 시작될 때까지 로우(low) 상태를 유지한다.After the N-channel MOS transfer transistor 56 is turned off, the readout process can begin. Each active pixel sensor in one row is read when the ROW SELECT signal pulse shown in FIG. 7 is applied to the gate of the N-channel MOS row select transistor 64 of the active pixel sensor 60. In operation of the active pixel sensor 50, the voltage associated with the voltage appearing at the storage node 62 is sensed by the N-channel MOS read transistor 50 and the column output when the N-channel row select transistor 64 is turned on. It takes a line. The XFR signal remains low until all rows have been read or another cycle has begun.
도 8은 가시(visible) 스펙트럼의 광에 대한 실리콘에서의 광 흡수 길이를 나타낸다. 실리콘 바디에 입사하는 광의 파장이 길수록, 광은 흡수되기 전에 실리콘바디로 더 깊이 침투된다는 것은 잘 알려져 있다. 도시된 바와 같이, 파장이 약 400-490nm의 범위인 청색 광은 실리콘 바디에 우선적으로 약 0.2-0.5 마이크론의 깊이까지 흡수될 것이며, 파장이 약 490-575nm의 범위인 녹색 광은 약 0.5-1.5 마이크론의 깊이까지 흡수될 것이며, 파장이 약 575-700nm의 범위인 적색 광은 약 1.5-3.0 마이크론의 깊이까지 흡수될 것이다.8 shows the light absorption length in silicon for light in the visible spectrum. It is well known that the longer the wavelength of light incident on the silicon body, the more the light penetrates into the silicon body before being absorbed. As shown, blue light with a wavelength in the range of about 400-490 nm will preferentially be absorbed by the silicon body to a depth of about 0.2-0.5 micron, and green light with a wavelength in the range of about 490-575 nm is about 0.5-1.5. It will be absorbed to a depth of micron and red light with a wavelength in the range of about 575-700 nm will be absorbed to a depth of about 1.5-3.0 microns.
도 9에서는, 본 발명에 따라, P형 전도도(conductivity)(약 1015atoms/㎠)의 실리콘 바디(80)에서 형성되는 트리플 접합 컬러 광센서 구조(78)가 도시된다. 컬러 광센서 구조(78)는 P형 실리콘 바디(80)에서 형성되는 제1 N형 도핑 웰 영역(82)(약 1016atoms/㎤), 제1 N 도핑 영역(82)에서 형성되는 P형 전도도(약 1017atoms/㎤)의 도핑 웰 영역(84), 및 P 도핑 영역(84)에서 상당히 얕은 NLDD(N형의 낮게 도핑된 드레인) 층으로서 형성된 N형 전도도(약 1018atoms/㎤)의 제2 도핑 영역(86)을 포함한다.In FIG. 9, a triple junction color photosensor structure 78 is shown formed in a silicon body 80 of P-type conductivity (about 10 15 atoms / cm 2) in accordance with the present invention. The color photosensor structure 78 has a first N-type doped well region 82 (about 10 16 atoms / cm 3) formed in the P-type silicon body 80 and a P-type formed in the first N doped region 82. N-type conductivity (about 10 18 atoms / cm 3) formed as a doped well region 84 of conductivity (about 10 17 atoms / cm 3) and a fairly shallow NLDD (N-type low doped drain) layer in P doped region 84. Second doped region 86).
컬러 광센서 구조(78)에는 3개의 pn 접합이 있다. 제1 pn 접합은 약 1.5에서 3.0 마이크론 정도의 깊이에서 P형 실리콘 바디(80)와 제1 N 도핑 영역(82) 사이에 있다. 제1 pn 접합은 바람직하게는 약 2 마이크론의 적색 광에 대한 근사적인 흡수 깊이에서 형성된다. 제2 pn 접합은 약 0.5에서 1.5 마이크론 정도의 깊이에서 P 도핑 영역(84)과 제1 N 도핑 영역(82) 사이에 있다. 제2 pn 접합은 바람직하게는 약 0.6 마이크론의 녹색 광에 대한 근사적인 흡수 깊이에서 형성된다. 제3 pn 접합은 약 0.2에서 0.5 마이크론 정도의 깊이에서 P 도핑 영역(84)과 제2 N 도핑 영역(86) 사이에 있다. 제3 pn 접합은 바람직하게는 0.2 마이크론의 청색 광에 대한 근사적인 흡수 깊이에서 형성된다. 따라서, 컬러 광센서 구조(78)에서, 제1 pn 접합은 적색-감광성 광다이오드를 형성하고, 제2 pn 접합은 녹색-감광성 광다이오드를 형성하고, 제3 pn 접합은 청색-감광성 광다이오드를 형성한다.There are three pn junctions in the color light sensor structure 78. The first pn junction is between the P-type silicon body 80 and the first N doped region 82 at a depth of about 1.5 to 3.0 microns. The first pn junction is preferably formed at an approximate absorption depth for red light of about 2 microns. The second pn junction is between the P doped region 84 and the first N doped region 82 at a depth of about 0.5 to 1.5 microns. The second pn junction is preferably formed at an approximate absorption depth for green light of about 0.6 microns. The third pn junction is between the P doped region 84 and the second N doped region 86 at a depth of about 0.2 to 0.5 microns. The third pn junction is preferably formed at an approximate absorption depth for blue light of 0.2 micron. Thus, in the color photosensor structure 78, the first pn junction forms a red-photosensitive photodiode, the second pn junction forms a green-photosensitive photodiode, and the third pn junction forms a blue-photosensitive photodiode Form.
본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자들은 전술한 다이오드의 감광성 공핍층이 그와 같은 접합 깊이에서 다소 초과하거나 모자라는 것을 알 것이다. 또한, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자들은 전술한 트리플 접합 구조가, 도 9의 예에서 도시된 반대의 전도성 영역, 즉 N형 실리콘 기판에서의 제1 P 도핑 영역, 제1 P 영역에서의 N 도핑 영역 및 N 영역에서의 제2 P 도핑 영역을 사용함으로써 실현될 수 있다는 것을 알 것이다. 그러나, 그러한 구조는 일반적으로 산업계에서는 사용되지 않으며, 또한 도 9의 구조가 표준 트리플 접합 MOS 메모리 기술을 사용하기 때문에 바람직하다. 또한, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자들은 추가로 선택된 파장에서 광자의 흡수를 제공하기 위하여 부가적인 도핑 영역을 형성함으로써 컬러 광센서 구조(78)의 선택된 깊이에서 추가적인 pn 접합을 형성할 수 있다는 것을 잘 알 것이다.Those skilled in the art will appreciate that the photosensitive depletion layer of the diodes described above is somewhat exceeding or lacking at such junction depths. Also, those skilled in the art will appreciate that the triple junction structure described above may be used in the opposite conductive region shown in the example of FIG. 9, namely in the first P doped region, the first P region in the N-type silicon substrate. It will be appreciated that by using the N doped region and the second P doped region in the N region. However, such a structure is generally not used in industry, and is also preferable because the structure of FIG. 9 uses standard triple junction MOS memory technology. In addition, those skilled in the art can form additional pn junctions at selected depths of the color photosensor structure 78 by forming additional doped regions to provide absorption of photons at additionally selected wavelengths. You will know well.
도 9는 또한 본 발명의 컬러 광센서 구조가, 적색, 녹색, 및 청색 광다이오드에 접속되어 그 광다이오드들을 통해 각기 적색, 녹색 및 청색 광전류를 각기 측정하는 감지 메카니즘(88)을 포함하는 것을 나타낸다. 광전류 센서(88)는 적색 감광성 광다이오드 양단에 접속되어 적색 광전류 ir을 측정하는 제1 전류계(90)를 포함하는 개념적인 배열로 도시된다. 제2 전류계(92)는 녹색 감광성 광다이오드 양단에 접속되어 녹색 광전류 ig를 측정한다. 제3 전류계(94)는 청색 감광성 광다이오드 양단에 접속되어 청색 광전류 ib를 측정한다. 광다이오드내의 전류의 대부분이 공핍층에 모인다고 가정하면, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자들은 전류 ib는 주로 가시 스펙트럼의 청색 끝부분에서의 입사광자로부터의 광전류이며, 전류 ig는 주로 녹색 광자로부터의 전류이고, 전류 ir은 주로 적색 광자로부터의 전류라는 것을 잘 알고 있을 것이다.9 also shows that the color light sensor structure of the present invention includes a sensing mechanism 88 connected to the red, green, and blue photodiodes to respectively measure red, green, and blue photocurrents through the photodiodes. . The photocurrent sensor 88 is shown in a conceptual arrangement comprising a first ammeter 90 connected across the red photosensitive photodiode and measuring the red photocurrent ir. A second ammeter 92 is connected across the green photosensitive photodiode to measure the green photocurrent ig. A third ammeter 94 is connected across the blue photosensitive photodiode to measure the blue photocurrent ib. Assuming that most of the current in the photodiode is concentrated in the depletion layer, those of ordinary skill in the art will appreciate that current ib is primarily the photocurrent from the incident photons at the blue end of the visible spectrum, and current ig is mainly green. It will be appreciated that the current is from the photon and the current ir is mainly from the red photon.
도 10은 본 발명에 따라 트리플 적층된 광다이오드 배열의 예측 감광도 곡선의 세트를 가시 스펙트럼내의 파장의 함수로 나타낸다. 그 곡선은 컬러 필터를 기초로하여 다른 컬러 분리 방식에서 처럼 자세하게 조정된 것이 아니라, 단지 개략적으로 조정되어 있다. 그러나, 컬러 이미징 분야에서 알려진 바와 같이, 그러한 곡선들의 세트로부터의 세개의 측정값을 더욱 근사하게 색체적으로 정확한 적색, 녹색, 및 청색 강도 값의 세트로 변환하기 위해 적절하게 매트릭싱하는 것이 가능하다. 매트릭스 변환을 적절히 예측하는 방법은 알려져 있으며, 일례로 미국 특허 제 5,668,596호, "Digital Imaging Device Optimized for Color Performance"에 개시되어 있다.10 shows a set of predicted photosensitivity curves of a triple stacked photodiode array in accordance with the present invention as a function of wavelength in the visible spectrum. The curve is only roughly adjusted based on the color filter, not as detailed as in other color separation schemes. However, as is known in the field of color imaging, it is possible to properly matrix the three measurements from such a set of curves into a more closely colored set of red, green, and blue intensity values. . Methods for properly predicting matrix transformations are known and are described, for example, in US Pat. No. 5,668,596, "Digital Imaging Device Optimized for Color Performance."
본 발명에 따르면, 도 5에 도시된 바와 같은 이미저(30)는 픽셀 어레이(32)의 각 픽셀에 관련된 다수의 저장 노드를 갖는다. 이미저(30)에서 컬러 이미지를포착하기 위해서는, 각 픽셀은 도 9에 대하여 기술된 트리플 광다이오드 컬러 센서 구조(78)를 채용한다. 본 발명의 각 실시예로 도 11에서 15에 도시되는 저장 픽셀 센서(100-1 내지 100-5)에서, 트리플 다이오드 컬러 광센서 구조(78)에서의 3개 다이오드의 각각은, 적어도 하나의 분리 저장 및 판독 회로에 접속되는 단자를 갖는다. 도 11 내지 도 15에 도시되는 저장 픽셀 센서(100-1 내지 100-5)의 실시예는 N 채널 MOS 트랜지스터로 실현된다. 그 밖에 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자들은 다음에 설명되는 저장 픽셀 센서가 P 채널 MOS 트랜지스터 또는 N 채널 및 P 채널 MOS 트랜지스터의 조합으로 실현될 수 있다는 것을 알 것이다. 도 11 내지 도 15에 도시되는 대응되는 소자들은 동일한 참조 부호로 표시된다.According to the present invention, imager 30 as shown in FIG. 5 has a number of storage nodes associated with each pixel of pixel array 32. To capture color images in imager 30, each pixel employs a triple photodiode color sensor structure 78 described with respect to FIG. In each embodiment of the invention, in the storage pixel sensors 100-1 to 100-5 shown in Figs. 11 to 15, each of the three diodes in the triple diode color photosensor structure 78 is at least one separated. It has a terminal connected to the storage and reading circuit. Embodiments of the storage pixel sensors 100-1 to 100-5 shown in Figs. 11 to 15 are realized with N-channel MOS transistors. In addition, those skilled in the art will appreciate that the storage pixel sensor described below can be realized as a P channel MOS transistor or a combination of N and P channel MOS transistors. Corresponding elements shown in Figs. 11 to 15 are denoted by the same reference numerals.
도 11에서 도 14의 활성 픽셀 센서(100-1 내지 100-4)의 동작시에, 도 6의 픽셀 센서에 관하여 전술한 것과 유사한 방식으로 활성 픽셀 센서는 리셋되고 전하는 축적된다. 활성 픽셀 센서(100-5)의 동작에 대하여, 다른 타이밍 도가 도 16A 및 도 16B에 도시된다.In the operation of the active pixel sensors 100-1 to 100-4 of FIG. 11, the active pixel sensor is reset and charge is accumulated in a manner similar to that described above with respect to the pixel sensor of FIG. 6. For the operation of the active pixel sensor 100-5, another timing diagram is shown in FIGS. 16A and 16B.
활성 픽셀 센서(100-1 내지 100-5)의 각 실시예에서, 제1 N 도핑 영역(82)은 N 채널 MOS 리셋 트랜지스터(102-1)의 소스에 접속되고, P 도핑 영역(84)은 N 채널 MOS 리셋 트랜지스터(102-2)의 드레인에 접속되며, 제2 N 도핑 영역(86)은 N 채널 MOS 리셋 트랜지스터(102-3)의 소스에 접속된다. N 채널 MOS 리셋 트랜지스터(102-1 및 102-3)의 드레인은 기준 전압 Vn에 접속되며, N 채널 MOS 리셋 트랜지스터(102-2)의 소스는 기준 전압 Vp<Vn에 접속된다. N 채널 MOS 리셋 트랜지스터(102-1 및 102-3)의 게이트는 RESET-N 제어 라인(104)에 접속되며, N 채널MOS 리셋 트랜지스터(102-2)의 게이트는 RESET-P 제어 라인(106)에 접속된다.In each embodiment of the active pixel sensors 100-1 to 100-5, the first N doped region 82 is connected to the source of the N channel MOS reset transistor 102-1, and the P doped region 84 is It is connected to the drain of the N-channel MOS reset transistor 102-2, and the second N doped region 86 is connected to the source of the N-channel MOS reset transistor 102-3. The drains of the N-channel MOS reset transistors 102-1 and 102-3 are connected to the reference voltage Vn, and the source of the N-channel MOS reset transistor 102-2 is connected to the reference voltage Vp <Vn. Gates of the N-channel MOS reset transistors 102-1 and 102-3 are connected to the RESET-N control line 104, and gates of the N-channel MOS reset transistors 102-2 are connected to the RESET-P control line 106. Is connected to.
N 채널 MOS 리셋 트랜지스터(102-1 및 102-3)의 드레인에 접속되는 전위 Vn은 대체적으로 P형 실리콘 기판에 대하여 플러스 전위이고, N 채널 MOS 리셋 트랜지스터(102-2)의 드레인에 접속되는 전위 Vp는 전위 Vn보다 낮은 플러스 전위이므로, 3개의 모든 광다이오드는 RESET-N 및 RESET-P 신호가 인가될때 역 바이어스된 상태에서 동작을 시작한다. 트리플 다이오드 컬러 광센서 구조(78)에서의 광다이오드는 빛에 노광됨으로써, 보다 낮게 역 바이어스되며, "오버플로"되기 전에 다소 순방향(forward) 바이어스될 수도 있다. 검출된 3가지 전압은, 회로의 다양한 광다이오드의 값과 부유 커패시턴스에 따라, 광전하의 서로 다른 선형 결합에 대응될 것이다. 이들 선형 결합은 전압 출력에 대한 결과의 감광도 곡선에 영향을 미쳐, 색체적으로 검출가능한 최종 출력을 만들어 내는 것에 따른 매트릭스 변환시에 수정된다.The potential Vn connected to the drains of the N-channel MOS reset transistors 102-1 and 102-3 is generally a positive potential with respect to the P-type silicon substrate, and is a potential connected to the drain of the N-channel MOS reset transistor 102-2. Since Vp is a positive potential lower than the potential Vn, all three photodiodes start operating in a reverse biased state when the RESET-N and RESET-P signals are applied. The photodiodes in the triple diode color photosensor structure 78 are lower biased by exposure to light, and may be somewhat forward biased before they "overflow." The three detected voltages will correspond to different linear combinations of photocharges, depending on the value and stray capacitance of the various photodiodes in the circuit. These linear combinations affect the resulting photosensitivity curve with respect to the voltage output, which is modified during matrix transformation resulting in a color-detectable final output.
또한, 활성 픽셀 센서(100-1 내지 100-5)의 각각은 다수의 저장 노드(108-1, 108-2, 108-3)를 포함한다. 예를들어, 저장 노드(108-1)는 저장 소자(110-1)의 제1 단자의 공통 접속 단자, N 채널 MOS 전송 트랜지스터(112-1)의 제1 소스/드레인, 및 N 채널 MOS 판독 트랜지스터(114-1)의 게이트로 이루어진다. 저장 노드(108-2)는 저장 소자(110-2)의 제1 단자의 공통 접속 단자, N 채널 MOS 전송 트랜지스터(112-2)의 제1 소스/드레인, 및 N 채널 MOS 판독 트랜지스터(114-2)의 게이트로 이루어진다. 저장 노드(108-3)는 저장 소자(110-3)의 제1 단자의 공통 접속 단자, N 채널 MOS 전송 트랜지스터(112-3)의 제1 소스/드레인, 및 N 채널 MOS판독 트랜지스터(114-3)의 게이트로 이루어진다. N 채널 MOS 전송 트랜지스터(112-1, 112-2, 112-3)의 게이트는 XFR 라인(116)의 글로벌 전송 신호에 접속된다. 저장 소자(110-1, 110-2, 110-3)는 각각이 접지로 도시되는 고정 전위에 접속된 제2 단자를 갖는다.In addition, each of the active pixel sensors 100-1 through 100-5 includes a plurality of storage nodes 108-1, 108-2, 108-3. For example, storage node 108-1 may include a common connection terminal of a first terminal of storage element 110-1, a first source / drain of N-channel MOS transfer transistor 112-1, and an N-channel MOS read. It consists of the gate of the transistor 114-1. Storage node 108-2 is a common connection terminal of a first terminal of storage element 110-2, a first source / drain of N-channel MOS transfer transistor 112-2, and an N-channel MOS read transistor 114-. It consists of a gate of 2). The storage node 108-3 includes a common connection terminal of the first terminal of the storage element 110-3, a first source / drain of the N-channel MOS transfer transistor 112-3, and an N-channel MOS read transistor 114-. It consists of a gate of 3). Gates of the N-channel MOS transfer transistors 112-1, 112-2, and 112-3 are connected to the global transmission signal of the XFR line 116. The storage elements 110-1, 110-2, 110-3 each have a second terminal connected to a fixed potential which is shown as ground.
도 11에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 활성 픽셀 센서의 실시예(100-1)에 따라, 저장 노드(108-1 내지 108-3)에 나타나는 각각의 전압은 분리 컬럼 출력 라인(118-1 내지 118-3)에서 ROW SELECT 라인(120) 상의 단일 로우 선택 신호에 의해 판독된다. 이에 따라, 각 N 채널 MOS 판독 트랜지스터(114-1 내지 114-3)의 드레인은 Vcc에 접속되고, 각 N 채널 MOS 판독 트랜지스터(114-1 내지 114-3)의 소스는 N 채널 MOS 로우 선택 트랜지스터(122-1 내지 122-3) 중의 하나의 드레인에 각기 접속된다. N 채널 MOS 로우 선택 트랜지스터(122-1 내지 122-3)의 게이트는 각기 ROW SELECT 라인(120)에 접속되며, N 채널 MOS 로우 선택 트랜지스터(122-1 내지 122-3)의 소스는 컬럼 출력 라인(118-1 내지 118-3)에 각기 접속된다.In accordance with an embodiment 100-1 of an active pixel sensor in accordance with the present invention as shown in FIG. 11, each voltage appearing in storage nodes 108-1 through 108-3 is a separate column output line 118-1. 118-3), it is read by a single row select signal on the ROW SELECT line 120. Accordingly, the drains of the respective N-channel MOS read transistors 114-1 to 114-3 are connected to Vcc, and the source of each of the N-channel MOS read transistors 114-1 to 114-3 is an N-channel MOS row select transistor. It is connected to the drain of one of (122-1 to 122-3), respectively. The gates of the N-channel MOS row select transistors 122-1 through 122-3 are connected to the ROW SELECT lines 120, respectively, and the source of the N-channel MOS row select transistors 122-1 through 122-3 are column output lines. And 118-1 to 118-3, respectively.
활성 픽셀 센서(100-1)의 동작시에, 컬럼 출력 라인(118-1에서 118-3)상의 이미지를 판독하는 동안에, 컬럼 출력 라인(118-1에서 118-3)에 연결되어 있는 컬럼 회로(도시되지 않음) 각각은 저장 노드(108-1에서 108-3)에 제공되는 저장된 이미지를 나타내는 픽셀을 선택하는데 사용될 것이다. 또한, 컬럼 회로는 저장된 픽셀상에, 감지된 컬러 신호의 선형 조합을 수행하는 것과 같은 소정의 기능을 수행하는데 사용될 수 있다.In the operation of the active pixel sensor 100-1, the column circuit connected to the column output lines 118-1 to 118-3 while reading an image on the column output lines 118-1 to 118-3. Each (not shown) will be used to select pixels representing stored images provided to storage nodes 108-1 through 108-3. In addition, the column circuitry can be used to perform certain functions, such as performing a linear combination of sensed color signals on the stored pixels.
도 12를 보면, 본 발명에 따른 활성 픽셀 센서(100-2)의 실시예에서, 저장노드(108-1에서 108-3)상의 전압은 ROW SELECT1 신호에서 ROW SELECT3 신호를 각각 어설팅(asserting)함으로써 동일한 컬럼 출력 라인(118)으로 개별적으로 판독된다. 따라서, 각각의 N-채널 MOS 판독 트랜지스터(114-1에서 114-3)의 드레인은 VCC와 연결되고, 각각의 N-채널 MOS 판독 트랜지스터(114-1에서 114-3)의 소스는 N-채널 MOS 로우 선택 트랜지스터(122-1에서 122-3)의 드레인과 각각 연결된다. N-채널 MOS 로우 선택 트랜지스터(122-1에서 122-3)의 게이트는 각각 ROW SELECT1 라인 내지 ROW SELECT3 라인(120-1에서 120-3)에 각각에 연결되고, N-채널 MOS 로우 선택 트랜지스터(122-1에서 122-3)의 소스는 단일 컬럼 출력 라인(118)에 연결된다.12, in the embodiment of the active pixel sensor 100-2 according to the present invention, the voltages on the storage nodes 108-1 through 108-3 assert each of the ROW SELECT3 signals in the ROW SELECT1 signal, respectively. Thereby being read separately into the same column output line 118. Thus, the drain of each N-channel MOS read transistor 114-1 to 114-3 is connected to V CC, and the source of each N-channel MOS read transistor 114-1 to 114-3 is N-. Are connected to the drains of the channel MOS row select transistors 122-1 through 122-3, respectively. Gates of the N-channel MOS row select transistors 122-1 to 122-3 are respectively connected to ROW SELECT1 line to ROW SELECT3 line 120-1 to 120-3, respectively, and the N-channel MOS row select transistors ( Sources 122-1 through 122-3 are connected to a single column output line 118.
도 12의 활성 픽셀 센서(100-2)의 동작시에, 저장 노드(108-1)에 저장된 이미지는 HIGH ROW SELECT1 신호에 응답해서 판독될 것이고, 저장 노드(108-2)에 저장된 이미지는 HIGH ROW SELECT2 신호에 응답해서 판독될 것이고, 저장 노드(108-3)에 저장된 이미지는 HIGH ROW SELECT3 신호에 응답해서 판독될 것이다. 도 5에 도시된 이미저(30)는 ROW SELECT1 라인 내지 ROW SELECT3 라인에 신호를 제공하기 위한 추가의 디코딩 회로를 더 포함한다.In operation of the active pixel sensor 100-2 of FIG. 12, the image stored in the storage node 108-1 will be read in response to the HIGH ROW SELECT1 signal, and the image stored in the storage node 108-2 is HIGH. The image stored in storage node 108-3 will be read in response to the ROW SELECT2 signal and will be read in response to the HIGH ROW SELECT3 signal. The imager 30 shown in FIG. 5 further includes additional decoding circuitry for providing signals to the ROW SELECT1 line to the ROW SELECT3 line.
도 13를 참조하면, 활성 픽셀 센서(100-3)의 실시예에서, 저장 노드(108-1에서 108-3)상의 전압은, N-채널 MOS 이미지 선택 트랜지스터(124-1에서 124-3)의 게이트 각각에 인가되고 ROW SELECT 라인(120)상의 신호에 인가되는 IMAGE SELECT1 라인 내지 IMAGE SELECT3 라인(126-1에서 126-3)상의 신호에 응답해서 단일 컬럼 출력 라인(118)으로 개별적으로 판독된다. 따라서, N-채널 MOS 판독트랜지스터(114-1에서 114-3)의 드레인은 각각 VCC에 연결되고, N-채널 MOS 판독 트랜지스터(114-1에서 114-3)의 소스는 N-채널 MOS 이미지 선택 트랜지스터(124-1에서 124-3)의 드레인에 각각 연결된다. N-채널 MOS 이미지 선택 트랜지스터(124-1에서 124-3)의 게이트는 IMAGE SELECT1 라인 내지 IMAGE SELECT3 라인(126-1에서 126-3)에 각각 연결된다. N-채널 MOS 이미지 선택 트랜지스터(124-1에서 124-3)의 소스는 N-채널 MOS 로우 선택 트랜지스터(128)의 드레인에 모두 연결된다. N-채널 MOS 로우 선택 트랜지스터(128)의 게이트는 ROW SELECT 라인(120)에 연결되고, N-채널 MOS 로우 선택 트랜지스터(128)의 소스는 컬럼 출력 라인(118)에 연결된다.Referring to FIG. 13, in the embodiment of the active pixel sensor 100-3, the voltage on the storage nodes 108-1 through 108-3 is the N-channel MOS image selection transistor 124-1 through 124-3. Are individually read into a single column output line 118 in response to signals on IMAGE SELECT1 to IMAGE SELECT3 lines 126-1 to 126-3 that are applied to each of the gates of < RTI ID = 0.0 > and < / RTI > . Thus, the drains of the N-channel MOS read transistors 114-1 through 114-3 are each connected to V CC , and the source of the N-channel MOS read transistors 114-1 through 114-3 is an N-channel MOS image. Are connected to the drains of the select transistors 124-1 to 124-3, respectively. The gates of the N-channel MOS image select transistors 124-1 through 124-3 are connected to IMAGE SELECT1 lines through IMAGE SELECT3 lines 126-1 through 126-3, respectively. The sources of the N-channel MOS image select transistors 124-1 through 124-3 are all connected to the drain of the N-channel MOS row select transistor 128. The gate of the N-channel MOS row select transistor 128 is connected to the ROW SELECT line 120 and the source of the N-channel MOS row select transistor 128 is connected to the column output line 118.
활성 픽셀 센서(100-3)의 동작시에, 저장 노드(108-1)에 저장된 이미지는 ROW SELECT 라인(120)에 어설트된 하이 신호 및 IMAGE SELECT1 라인(126-1)에 어설트된 하이 신호에 응답해서 판독될 것이다. 저장 노드(108-2)에 저장된 이미지는 ROW SELECT 라인(120)에 어설트된 하이 신호 및 IMAGE SELECT2 라인(126-2)에 어설트된 하이 신호에 응답해서 판독될 것이다. 저장 노드(108-3)에 저장된 이미지는 ROW SELECT 라인(120)에 어설트된 하이 신호 및 IMAGE SELECT3 라인(126-3)에 어설트된 하이 신호에 응답해서 판독될 것이다. 도 5에 도시된 이미저(30)는 글로벌 IMAGE SELECT1 라인 내지 IMAGE SELECT3 라인을 더 포함할 것이다. ROW SELECT 신호와의 조합에 있어서 글로벌 IMAGE SELECT1 내지 IMAGE SELECT3 라인의 사용은 도 12의 실시예에서 요구되는 추가의 로우 디코딩에 대한 필요성을 제거한다.In operation of the active pixel sensor 100-3, the image stored in the storage node 108-1 is applied to the high signal asserted to the ROW SELECT line 120 and to the high signal asserted to the IMAGE SELECT1 line 126-1. Will be read in response. The image stored at storage node 108-2 will be read in response to the high signal asserted in ROW SELECT line 120 and the high signal asserted in IMAGE SELECT 2 line 126-2. The image stored at storage node 108-3 will be read in response to the high signal asserted to ROW SELECT line 120 and the high signal asserted to IMAGE SELECT 3 line 126-3. The imager 30 shown in FIG. 5 may further include global IMAGE SELECT1 lines to IMAGE SELECT3 lines. The use of global IMAGE SELECT1 through IMAGE SELECT3 lines in combination with the ROW SELECT signal eliminates the need for additional row decoding required in the embodiment of FIG.
도 14를 참조하면, 활성 픽셀 센서(100-4)의 실시예에서, 저장 노드(108-1에서 108-3)상의 전압은, IMAGE SELECT1 라인 내지 IMAGE SELECT3 라인(126-1에서 126-3)에 어설트된 각각의 신호 및 ROW SELECT 라인(120)에 어설트된 신호에 응답해서 단일 컬럼 출력 라인(118)으로 전류 모드로 판독된다. 따라서, N-채널 MOS 판독 트랜지스터(114-1에서 114-3)의 드레인은 함께 연결되어, N-채널 MOS 로우 선택 트랜지스터(128)의 소스에 연결된다. N-채널 MOS 판독 트랜지스터(114-1에서 114-3)의 소스는 IMAGE SELECT1 라인 내지 IMAGE SELECT3 라인(126-1에서 126-3)에 각각 연결된다. N-채널 MOS 로우 선택 트랜지스터(128)의 게이트는 ROW SELECT 라인(120)에 연결되고, N-채널 MOS 로우 선택 트랜지스터(128)의 드레인은 컬럼 출력 라인(118)에 연결된다.Referring to FIG. 14, in the embodiment of the active pixel sensor 100-4, the voltage on the storage nodes 108-1 to 108-3 is the IMAGE SELECT1 line to the IMAGE SELECT3 line 126-1 to 126-3. A single column output line 118 is read in current mode in response to each signal asserted at and the signal asserted at ROW SELECT line 120. Thus, the drains of the N-channel MOS read transistors 114-1 through 114-3 are connected together and connected to the source of the N-channel MOS row select transistor 128. The sources of the N-channel MOS read transistors 114-1 through 114-3 are connected to IMAGE SELECT1 lines through IMAGE SELECT3 lines 126-1 through 126-3, respectively. The gate of the N-channel MOS row select transistor 128 is connected to the ROW SELECT line 120, and the drain of the N-channel MOS row select transistor 128 is connected to the column output line 118.
활성 픽셀 센서(100-4)의 동작시에, 컬럼 출력 라인(118)은 N-채널 MOS 로우 선택 트랜지스터(128)의 드레인에 연결된다. 컬럼 출력 라인(118)에 저장된 이미지를 나타내는 전류를 위치시키기 위해서, 저장 노드(108-1)에 저장된 이미지는 IMAGE SELECT1 라인(126-1)에 어설트된 로우 신호에 의해 선택될 것이고, 저장 노드(108-2)에 저장된 이미지는 IMAGE SELECT1 라인(126-2)에 어설트된 로우 신호에 의해 선택될 것이고, 저장 노드(108-3)에 저장된 이미지는 IMAGE SELECT1 라인(126-3)에 어설트된 로우 신호에 의해 선택될 것이다. 따라서, 컬럼 출력 라인(118)상의 전류-모드 출력은 IMAGE SELECT1에서 IMAGE SELECT3(126-1에서 126-3)상의 신호에 의해 제어된다. 컬럼 출력 라인(118)은, 비선택된 N-채널 MOS 판독 트랜지스터(114-1에서 114-3)가 역으로 전도를 개시하지 않도록 충분히 높은 전압으로 바이어스되어야만 한다. 또한, IMAGE SELECT1에서 IMAGE SELECT3(126-1에서126-3)의 전압 구동기는 선택된 로우로부터의 모든 컬럼 전류를 낮출 수 있다.In operation of the active pixel sensor 100-4, the column output line 118 is connected to the drain of the N-channel MOS row select transistor 128. In order to locate the current representing the image stored in column output line 118, the image stored in storage node 108-1 will be selected by the low signal asserted in IMAGE SELECT1 line 126-1, and the storage node ( The image stored in 108-2 will be selected by the low signal asserted in IMAGE SELECT1 line 126-2, and the image stored in storage node 108-3 is asserted in IMAGE SELECT1 line 126-3. Will be selected by the signal. Thus, the current-mode output on column output line 118 is controlled by signals on IMAGE SELECT3 (126-1 to 126-3) in IMAGE SELECT1. The column output line 118 must be biased to a voltage high enough that the unselected N-channel MOS read transistors 114-1 through 114-3 do not start conducting reversely. Also, the voltage driver of IMAGE SELECT3 (126-1 to 126-3) in IMAGE SELECT1 can lower all column currents from the selected row.
도 15를 참조하면, 활성 픽셀 센서(100-5)의 실시예는 도 11의 실시예와 유사하고, 다중 저장 노드가 ROW SELECT1에서 ROW SELECT2 및 COLUMN OUTPUT1에서 COLUMN OUTPUT3를 사용해서 매트릭스되는 것으로 나타나는 추가의 저장 노드를 포함한다. 가장 중요한 것은, 도 15의 실시예는 도 11의 실시예와 같은 방식으로 기능한다는 것이다.Referring to FIG. 15, the embodiment of the active pixel sensor 100-5 is similar to the embodiment of FIG. 11, with the addition that multiple storage nodes appear to be matrixed using ROW SELECT2 at ROW SELECT1 and COLUMN OUTPUT3 at COLUMN OUTPUT3. It includes a storage node. Most importantly, the embodiment of FIG. 15 functions in the same manner as the embodiment of FIG.
도 15에 도시된 활성 픽셀 센서(100-5)에서, 저장 노드(108-1에서 108-3)상의 전압은 ROW SELECT1 라인(120-1)에 의해 컬럼 출력 라인(118-1에서 118-3)에서 각각 판독되고, 저장 노드(108-4에서 108-6)상의 전압은 ROW SELECT2 라인(120-2)에 의해 컬럼 출력 라인(118-1에서 118-3)에서 각각 판독된다. 따라서, N-채널 MOS 판독 트랜지스터(114-1에서 114-6)의 드레인은 VCC에 연결되고, N-채널 MOS 판독 트랜지스터(114-1에서 114-6)의 소스는 N-채널 MOS 로우 선택 트랜지스터(122-1에서 122-6)에 각각 연결된다. N-채널 MOS 로우 선택 트랜지스터(122-1에서 122-3)의 게이트는 ROW SELECT1 라인(120-1)에 각각 연결되고, N-채널 MOS 로우 선택 트랜지스터(122-4에서 122-6)의 게이트는 ROW SELECT2 라인(120-2)에 각각 연결된다. N-채널 MOS 로우 선택 트랜지스터(122-1에서 122-4)의 소스는 제1 컬럼 출력 라인(118-1)에 연결되고, N-채널 MOS 로우 선택 트랜지스터(122-2에서 122-5)의 소스는 제2 컬럼 출력 라인(118-2)에 연결되고, N-채널 MOS 로우 선택 트랜지스터(122-3에서 122-6)의 소스는 제3 컬럼 출력 라인(118-3)에 연결된다.In the active pixel sensor 100-5 shown in FIG. 15, the voltage on the storage nodes 108-1 through 108-3 is controlled by the ROW SELECT1 line 120-1 through the column output lines 118-1 through 118-3. ), And the voltages on storage nodes 108-4 to 108-6 are read from column output lines 118-1 to 118-3 by ROW SELECT2 line 120-2, respectively. Thus, the drain of the N-channel MOS read transistors 114-1 through 114-6 is connected to V CC and the source of the N-channel MOS read transistors 114-1 through 114-6 selects an N-channel MOS low. Connected to transistors 122-1 to 122-6, respectively. Gates of the N-channel MOS row select transistors 122-1 through 122-3 are connected to ROW SELECT1 line 120-1, respectively, and gates of the N-channel MOS row select transistors 122-4 through 122-6 Are respectively connected to ROW SELECT2 line 120-2. The source of the N-channel MOS row select transistors 122-1 to 122-4 is connected to the first column output line 118-1 and the source of the N-channel MOS row select transistors 122-2 to 122-5. The source is connected to the second column output line 118-2, and the source of the N-channel MOS row select transistors 122-3 to 122-6 is connected to the third column output line 118-3.
활성 픽셀 센서(100-5)의 동작시에, 저장 노드(108-1에서 108-6)중의 어느 하나에 저장된 전하는, 저장 노드에 연결된 컬럼 출력 라인(118-1에서 118-3)을 감지함으로써, 저장 노드(108-1에서 108-3 또는 108-4에서 108-6)에 각각 연결된 N-채널 MOS 로우 선택 트랜지스터(122-1에서 122-3 또는 122-4 또는 122-6)의 게이트에 인가된 ROW SELECT1 라인 및 ROW SELECT2 라인 중의 하나의 신호의 어설션(assertion)에 응답해서 판독된다.In operation of the active pixel sensor 100-5, the charge stored in any of the storage nodes 108-1 through 108-6 is detected by sensing column output lines 118-1 through 118-3 connected to the storage node. To the gate of an N-channel MOS row select transistor 122-1 to 122-3 or 122-4 or 122-6 connected to storage node 108-1 or 108-3 to 108-4 respectively. Read in response to the assertion of one of the applied ROW SELECT1 line and ROW SELECT2 line.
예를 들어, 저장 노드(108-1)에 저장된 픽셀 정보를 선택하기 위해서, ROW SELECT1 라인(120-1)상의 신호는 어설트될 것이고, 제1 컬럼 출력 라인(118-1)은 감지될 것이다. 다수의 저장 노드가 사용된 실시예에서, ROW SELECT1 라인 및 ROW SELECT2 라인(120-1 및 120-2)과 제1, 제2, 제3 컬럼 출력 라인(118-1에서 118-3)을 사용한 저장 노드(108-1에서 108-6)의 매트릭싱은 요구되는 추가의 로우 및 컬럼 라인의 개수를 감소시킨다. 도 1에 도시된 단일의 글로벌 XFR 라인 대신에 제1 및 제2 글로벌 전송라인(XFR1 및 XFR2; 116-1 및 116-2의 참조 번호로 도시됨)이 사용될 것이고, 이는 모션 감지, 다중 노광 시간 등을 가능하게 한다.For example, to select pixel information stored at storage node 108-1, the signal on ROW SELECT1 line 120-1 will be asserted and first column output line 118-1 will be sensed. In an embodiment where multiple storage nodes are used, using ROW SELECT1 lines and ROW SELECT2 lines 120-1 and 120-2 and the first, second, and third column output lines 118-1 to 118-3 Matrixing storage nodes 108-1 through 108-6 reduces the number of additional row and column lines required. Instead of the single global XFR line shown in FIG. 1, first and second global transmission lines (XFR1 and XFR2; shown by reference numerals 116-1 and 116-2) will be used, which is motion sensing, multiple exposure time. And so on.
도 16A 및 16B는 RESET-N, RESET-P, XFR1 및 XFR2 신호를 나타내는 타이밍도이고, 활성 픽셀 센서(100-5)의 동작을 나타낸다. 도 16A에서, 116-1 라인에 하이로 어설트된 XFR1 신호와 RESET-N 및 RESET-P 신호(간결성을 위해서 단일 RESET 신호로 도시됨)는 하강 에지(130)에서 저장 노드(108-1, 108-2 및 108-3)상의 전하의 축적을 시작하도록 전환된다. 그리고, XFR1 신호는 하강 에지(132)에서 전환되어, 저장 노드(108-1, 180-2 및 108-3)상의 전하의 축적을 정지시킨다. RESET 신호는세 개의 다이오드 컬러 광센서 구조물(78)내의 광다이오드의 전압을 리셋하도록 상승 에지(134)에서 전환된다. 그리고, 라인(116-2)상의 XFR2 신호는 상승 에지(136)에서 전환된다. RESET 신호가 하강 에지(138)에서 전환될 때, 저장 노드(108-4, 118-5 및 108-6)상의 전하의 축적이 시작된다. 라인(116-2)상의 XFR2 신호는 하강 에지(140)에서 전환되어, 저장 노드(108-4, 118-5 및 108-6)상의 전하의 축적을 정지시킨다.16A and 16B are timing diagrams showing the signals RESET-N, RESET-P, XFR1 and XFR2, and show the operation of the active pixel sensor 100-5. In FIG. 16A, the XFR1 signal high asserted on line 116-1 and the RESET-N and RESET-P signals (shown as a single RESET signal for brevity) are stored at the falling nodes 130 at storage nodes 108-1, 108. FIG. -2 and 108-3) are switched to start the accumulation of charge. The XFR1 signal is then switched at falling edge 132 to stop the accumulation of charge on storage nodes 108-1, 180-2 and 108-3. The RESET signal is switched at the rising edge 134 to reset the voltage of the photodiode in the three diode color photosensor structure 78. And, the XFR2 signal on line 116-2 is switched at the rising edge 136. When the RESET signal transitions on the falling edge 138, the accumulation of charge on storage nodes 108-4, 118-5, and 108-6 begins. The XFR2 signal on line 116-2 switches at falling edge 140 to stop the accumulation of charge on storage nodes 108-4, 118-5, and 108-6.
도 16B에서, XFR1 및 XFR2 신호는 둘 다 하이로 어설트되고, RESET 신호는 저장 노드(108-1, 108-2, 108-3, 108-4, 108-5 및 108-6)상의 전하의 축적을 개시하게 하는 하강 에지(150)에서 전환된다. 그리고, XFR1 신호는 하강 에지(152)에서 전환되어, 저장 노드(108-1, 180-2 및 108-3)상의 전하의 축적을 정지시킨다. 저장 노드(108-4, 118-5 및 108-6)상의 전하의 축적은 계속된다. 그리고, XFR2 신호는 하강 에지(154)에서 전환되어, 저장 노드(108-4, 118-5 및 108-6)상의 전하의 축적을 정지시킨다.In FIG. 16B, both XFR1 and XFR2 signals are asserted high, and the RESET signal accumulates charges on storage nodes 108-1, 108-2, 108-3, 108-4, 108-5 and 108-6. Transition at falling edge 150 to initiate The XFR1 signal is then switched at falling edge 152 to stop accumulation of charge on storage nodes 108-1, 180-2 and 108-3. Accumulation of charge on storage nodes 108-4, 118-5, and 108-6 continues. The XFR2 signal is then diverted at the falling edge 154 to stop the accumulation of charge on the storage nodes 108-4, 118-5 and 108-6.
이제, 풀 RGB 이미저의 장점들은 충분히 설명되었기 때문에, 도 17에서는 판독기가 도시되고, 이하에서는 저장 및 검색 방법에 관해서 설명한다.Now that the advantages of a full RGB imager have been fully described, the reader is shown in FIG. 17 and the storage and retrieval method is described below.
도 17을 보면, 일반적인 종래 기술의 이미지 포착 및 디스플레이 시스템의 블록도가 도시되어 있다. 이미지는 M 픽셀 센서를 가지는 필터-모자이크 이미저(210)에 의해 최초로 포착된다. 종래 기술의 컬러 이미지 센서는 이미지 센서 칩에 집적된 컬러 필터의 모자이크를 통해 일반적으로 각 픽셀 위치에서 삼원색 중의 하나만을 감지하고, 이는 각 픽셀 위치에서 3색 각각을 감지하는 본 발명의풀-컬러 센서와 구별된다. 일반적인 시스템에서, 종래 기술의 필터-모자이크 이미저는, 예를 들어, 픽셀 데이터의 전체 M=307,200 바이트를 가지는 데이터세트를 전달하는 640 픽셀 센서x480 픽셀 센서의 어레이로 구성될 수 있다. 보다 조밀한 이미저는, 데이터세트내의 픽셀 데이터의 전체 M=6,000,000 바이트에 대해서 3,000 픽셀 센서x2,000 픽셀 센서의 어레이로 구성될 수 있다.17, a block diagram of a general prior art image capture and display system is shown. The image is first captured by a filter-mosaic imager 210 having an M pixel sensor. Prior art color image sensors typically detect only one of the three primary colors at each pixel location through a mosaic of color filters integrated in the image sensor chip, which is a full-color sensor of the present invention that detects each of the three colors at each pixel location. Is distinguished from. In a typical system, the prior art filter-mosaic imager may consist of, for example, an array of 640 pixel sensors x 480 pixel sensors that carry a dataset having a total M = 307,200 bytes of pixel data. A denser imager may consist of an array of 3,000 pixel sensors × 2,000 pixel sensors for the total M = 6,000,000 bytes of pixel data in the dataset.
이미저(210)의 픽셀 센서로부터의 출력 데이터세트는 종래 기술에서 알려진 것처럼 풀 RGB 데이터세트로 전환하기 위해서 보간기(interpolator; 212)에 의해 처리된다. 보간 처리는 데이터세트의 크기를 3M으로 증가시킨다. 그리고, 종래 기술에서 알려진 것처럼, 컬러 변환 및 정정은 컬러 정정기(214)에 의해 데이터세트에서 수행된다.The output dataset from the pixel sensor of imager 210 is processed by interpolator 212 to convert to a full RGB dataset as known in the art. Interpolation increases the size of the dataset to 3M. And, as known in the art, color conversion and correction are performed on the dataset by color corrector 214.
이미저(210)로부터의 출력 픽셀 데이터세트에 보간 및 컬러 정정이 이루어진 이후에, JPEG 압축과 같은 데이터 압축이 데이터 압축기(216)내의 데이터세트에서 수행된다. JPEG 압축은 산업 표준이고, 일반적인 예로서 0.25x의 조정가능한 압축도를 초래하고, 이는 도 17에 도시된 바와 같이 데이터세트 크기를 0.75M으로 감소시킨다.After interpolation and color correction are made to the output pixel dataset from imager 210, data compression, such as JPEG compression, is performed on the dataset in data compressor 216. JPEG compression is an industry standard and, as a general example, results in an adjustable compression of 0.25x, which reduces the dataset size to 0.75M as shown in FIG.
데이터세트는 압축된 이후에, 저장 소자(218)에 저장된다. 저장 소자(218)는 종래 기술에서 자기 저장(예를 들어, 플로피 디스크), 또는 플래시 또는 랜덤 액세스 메모리와 같은 디지털 반도체 메모리 저장과 같은 다수의 형태를 포함한다.After the dataset is compressed, it is stored in the storage element 218. Storage element 218 includes many forms, such as magnetic storage (eg, floppy disk), or digital semiconductor memory storage, such as flash or random access memory, in the prior art.
저장된 디지털 이미지를 디스플레이하거나 프린트할 때, 컬러-정정 이미지를 나타내는 저장된 압축 데이터는 저장 검색 소자(220)에 의해 최초로 저장소자(218)로부터 검색된다. 저장 검색 소자(220)의 특성은 저장 소자(218)의 특성에 따르고, 그 기능은 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자들에게 이해될 수 있다.When displaying or printing the stored digital image, the stored compressed data representing the color-corrected image is first retrieved from the reservoir 218 by the storage retrieval element 220. The characteristics of the storage retrieval element 220 depend on the characteristics of the storage element 218, the function of which may be understood by those skilled in the art.
이미지를 나타내는 저장된 데이터세트가 저장 검색 소자(220)에 의해 저장 소자(218)로부터 검색된 이후에, 종래 기술에서와 같이 압축 해제 소자(222)에 의해 압축 해제되고, 사용자의 요구에 따라서 디스플레이 또는 프린터(224)에 제공된다.After the stored dataset representing the image is retrieved from the storage element 218 by the storage retrieval element 220, it is decompressed by the decompression element 222 as in the prior art, and according to the user's request, a display or printer. 224 is provided.
도 17의 시스템에 의해 수행되는 이미지 데이터 저장 및 검색 방법은 도 17의 블록도에 의해 쉽게 추측될 수 있다. 종래 기술의 이미지 포착 및 디스플레이 시스템에 의해 수행되는 이미지 데이터 저장 및 검색 방법의 단계는 이러한 단계를 수행하는 소자들을 식별하는 동일한 참조 번호를 사용함으로써 표시된다. 따라서, 단계 210에서, 이미지는 이미저에 의해 포착된다. 그 후에, 단계 212에서, 이미지를 나타내는 데이터세트는 풀 RBG 데이터세트를 생성하도록 보간된다. RBG 데이터세트는 단계 214에서 바람직하게 데이터세트에 대해 컬러 변환 및 정정을 하도록 처리된다. 단계 16에서 데이터세트는 압축되고, 단계 218에서 이 데이터세트는 저장된다.The image data storage and retrieval method performed by the system of FIG. 17 can be easily estimated by the block diagram of FIG. The steps of the image data storage and retrieval method performed by the prior art image capture and display system are indicated by using the same reference numerals to identify the elements performing these steps. Thus, in step 210, the image is captured by the imager. Thereafter, at step 212, the dataset representing the image is interpolated to produce a full RBG dataset. The RBG dataset is preferably processed in step 214 to perform color conversion and correction on the dataset. In step 16 the dataset is compressed and in step 218 the dataset is stored.
저장된 디지털 이미지를 디스플레이 또는 프린트하려고 할 때, 컬러-정정된 RGB 이미지를 나타내는 저장된 압축 데이터세트는 단계 220에서 저장된 것으로부터 최초로 검색된다. 그리고, 이미지를 나타내는 검색된 압축 데이터세트는 종래 기술에서와 같이, 단계 222에서 압축 해제된다. 마지막으로, 단계 224에서 이미지데이터는 종래의 기술을 사용하는 사용자에 의해 요구되는 것처럼, 디스플레이 또는 프린터(224)에 제공된다.When attempting to display or print the stored digital image, the stored compressed dataset representing the color-corrected RGB image is first retrieved from the stored one at step 220. The retrieved compressed dataset representing the image is then decompressed at step 222, as in the prior art. Finally, in step 224, the image data is provided to the display or printer 224, as required by a user using conventional techniques.
도 17에 도시된 종래 기술의 기법에 의해 수행되는 보간 단계(212) 및 압축 단계(216)는 이미저(210)로부터 얻어지는 데이터세트내의 원래의 이미지 데이터의 해상도에 대한 컴프로미스(compromise)를 나타내는 "손실있는" 단계이다. 이 단계들은 이미저(210)로부터 얻어진 원래의 데이터세트가 회복 가능하지 않기 때문에 역으로 수행되기는 불가능하다. 보다 중요한 것은, 이미저(210)로부터의 원래의 데이터세트는 센서 어레이 상에 속하는 이미지를 완전하게 표현할 수 없다는 것이다. 이미지의 완전한 표현을 달성하기 위해서, 이미지는 광 이미지에 존재하는 최고의 공간 주파수의 각 사이클마다 각 크기가 적어도 두 번은 샘플되어야만 한다는 것은 종래 기술에서 잘 알려져 있다. 최고의 공간 주파수는 일반적으로 렌즈의 변조 전송 기능에 의해 설정되고, 일반적인 포토그래픽 렌즈는 10 마이크로미터당 한 사이클 정도에 해당한다. 고밀도의 이미징 어레이에서의 일반적인 광센서의 크기는 약 5 마이크로미터이고, 이는 샘플링 표준을 만족한다. 그러나, 필터 모자이크로, 4개의 센서로 구성되는 이미지를 샘플하는데 사용되는 반복 유닛은 일반적으로 각 크기가 10 및 20 마이크로미터 사이에 있다. 이러한 큰 샘플링 간격은 더 높은 공간 주파수와 더 낮은 공간 주파수를 혼동함으로써, 바꿀수 없는 정보의 손실을 필연적으로 가져오고, 이 문제는 앨리어싱으로 알려져 있다. 이러한 과정에 의해 발생하는 앨리어스 아티팩트들은 미세한 피치의 패브릭상에 모아레 패턴, 또는 에지 및 가는 라인을 따라 컬러드 하이라이트로서 디지털 이미지에 보여진다. 앨리어스 아티팩트들은 보통은 유지되는데, 종종 손실있는 압축 기술에 의해서, 그리고 이미지를 선명하게 하려는 시도에 의해서 두드러지게 된다.The interpolation step 212 and the compression step 216 performed by the prior art technique shown in FIG. 17 provide a comprehension for the resolution of the original image data in the dataset obtained from the imager 210. It is a "lossy" step. These steps are not possible to be reversed because the original dataset obtained from imager 210 is not recoverable. More importantly, the original dataset from imager 210 may not fully represent the image belonging to the sensor array. It is well known in the art that in order to achieve a complete representation of an image, the image must be sampled at least twice in size for each cycle of the highest spatial frequency present in the optical image. The highest spatial frequency is typically set by the lens's modulation transmission function, which is equivalent to one cycle per 10 micrometers. The size of a typical optical sensor in a dense imaging array is about 5 micrometers, which meets the sampling standard. However, with filter mosaics, repeating units used to sample an image consisting of four sensors are generally between 10 and 20 micrometers each in size. Such large sampling intervals confuse higher and lower spatial frequencies, which inevitably leads to loss of irreplaceable information, a problem known as aliasing. Alias artifacts caused by this process are shown in the digital image as moiré patterns, or colored highlights along edges and thin lines, on fine pitch fabrics. Alias artifacts are usually maintained, often accentuated by lossy compression techniques and by attempts to sharpen the image.
도 18A 및 18B는 본 발명에 따른 압축이 없는 이미지 포착 및 디스플레이 시스템의 대안적인 실시예의 블록도이다. 먼저 도 18A를 참조하면, 본 발명에 따른 이미지 포착 및 디스플레이 시스템(230)의 하나의 실시예가 제시된다.18A and 18B are block diagrams of alternative embodiments of an image capture and display system without compression in accordance with the present invention. Referring first to FIG. 18A, one embodiment of an image capture and display system 230 in accordance with the present invention is presented.
이미지 포착 및 디스플레이 시스템(230)은 양호하게 풀 RGB 이미저(232), 즉, 풀 RGB 이미지 데이터세트를 생성하기 위해 각각의 픽셀 위치에서 삼원색을 모두 감지하는 이미저를 포함한다. 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자들에게 명백한 바와같이, 풀 RGB 이미저(232)는 디지털 카메라와 같은 이미징 장치에 최적하게 위치한다.Image capture and display system 230 preferably includes a full RGB imager 232, i.e., an imager that senses all three primary colors at each pixel location to produce a full RGB image dataset. As will be apparent to those skilled in the art, the full RGB imager 232 is optimally located in an imaging device such as a digital camera.
이미저(232)내의 픽셀 센서로부터의 풀 RGB 출력 데이터세트는 컬러 변환 및 정정을 수행하기 위해서 컬러 정정기(234)에 의해 처리된다. 컬러 정정기(234)는 도 17에 도시된 종래 기술의 예와 같이 구성되고, 그 구조 및 동작은 일반적인 종래 기술에서와 유사하다. 컬러 정정기(234)에 의해 수행되는 컬러 변환 및 정정의 예는 다크 신호 삭제, 매트릭싱, 불량 픽셀 교체, 선형화, 및 감마 인코딩이다. 컬러 정정은 선택적이고, 필요없다면 본 발명에 따라서 수행될 필요가 없다.The full RGB output dataset from the pixel sensor in imager 232 is processed by color corrector 234 to perform color conversion and correction. The color corrector 234 is configured as in the example of the prior art shown in Fig. 17, and its structure and operation are similar to those in the general prior art. Examples of color conversion and correction performed by color corrector 234 are dark signal cancellation, matrixing, bad pixel replacement, linearization, and gamma encoding. Color correction is optional and need not be performed in accordance with the present invention if not needed.
컬러 정정이 본 발명의 이미저(232)로부터의 RGB 데이터세트에서 수행된 이후에, 컬러 정정된 데이터세트는 바로 저장 소자(236)에 저장된다. 저장 소자(236)는 자기 저장(예를 들어, 플로피 디스크), 또는 플래시 또는 랜덤 액세스 메모리와 같은 디지털 반도체 메모리 저장과 같은 다수의 형태를 취한다. 본 발명의 시스템 및 방법에서 사용되는 광 저장과 같은 기타 저장 기술이 본 명세서에서 특정하게 열거된 저장 기술로 한정되지 않는다는 것은 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자들에게 명백한 일이다.After color correction is performed on the RGB dataset from imager 232 of the present invention, the color corrected dataset is stored directly in storage element 236. Storage element 236 takes many forms, such as magnetic storage (eg, floppy disk), or digital semiconductor memory storage such as flash or random access memory. It is apparent to those skilled in the art that other storage techniques, such as optical storage, used in the systems and methods of the present invention, are not limited to the storage techniques specifically listed herein.
본 발명의 시스템과 방법에 따라서 저장된 디지털 이미지를 디스플레이 또는 프린트하고자 하는 경우에, 저장된 컬러-정정된 이미지를 나타내는 데이터세트가 저장 검색 소자(238)에 의해 저장 소자(236)로 부터 최초로 검색된다. 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자는 저장 검색 소자(220)의 특성이 그것과 함께 기능하는 저장 소자(218)의 특성에 의존한다는 것을 잘 알고 있을 것이다. 제한적이지 않은 예로서, 반도체 메모리가 본 발명에 채용된다면, 종래의 메모리 어드레싱 및 판독 회로는 저장 검색 소자(238)의 기능을 수행할 것이다.When it is desired to display or print a stored digital image in accordance with the systems and methods of the present invention, a dataset representing the stored color-corrected image is first retrieved from the storage element 236 by the storage retrieval element 238. Those skilled in the art will appreciate that the characteristics of the storage retrieval element 220 depends on the characteristics of the storage element 218 functioning with it. As a non-limiting example, if a semiconductor memory is employed in the present invention, conventional memory addressing and reading circuitry will perform the function of the storage retrieval element 238.
저장된 컬러-정정된 이미지를 나타내는 데이터세트는 저장 검색 소자(238)에 의해 저장 소자(236)로 부터 검색된 이후에, 보간 소자(240)에 의해서 보간될 수 있다. 본 발명에 따르면, 보간 소자(240)는 예를 들어, 디스플레이 또는 프린트에 앞서, 예를 들어 데이터세트내의 데이터에 대한 프린트 위의 픽셀 아티팩트들을 막기 위해서, 센서 해상도로부터 높은 출력 해상도로 보간 하는 처리를 수행할 수 있다. 보간 소자(240)는 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자들이 알 수 있는 바와 같이, 예를 들어, 보간 소프트웨어를 작동시키는 마이크로프로세서를 포함할 수 있다. 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자들은 보간 단계가 본 발명을 실행하는 데 필요하지 않다는 것을 인식할 수 있을 것이다.The dataset representing the stored color-corrected image may be interpolated by interpolation element 240 after being retrieved from storage element 236 by storage retrieval element 238. In accordance with the present invention, interpolation element 240 performs a process of interpolating from sensor resolution to high output resolution, for example, to prevent pixel artifacts on the print for data in the dataset prior to display or print. Can be done. Interpolation element 240 may include, for example, a microprocessor that operates interpolation software, as will be appreciated by those skilled in the art. Those skilled in the art will appreciate that no interpolation step is necessary to practice the invention.
마지막으로, 보간 소자(240)로 부터 보간된 데이터세트는 사진사가 이미지를고객에게 전송할 때 처럼, 사용자에 의해 요구되는 디스플레이 또는 프린터(242)에 제공되거나, 이후의 사용 또는 심화 처리과정을 위해서 높은 해상도 형태로 저장되거나 전송될 수 있다. 이미지 데이터를 프린터들 또는 디스플레이들에 제공하기 위한 하드웨어 및 소프트웨어 기술은 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자들에게 잘 알려져 있다.Finally, the dataset interpolated from the interpolation element 240 may be provided to the display or printer 242 required by the user, such as when the photographer sends the image to the customer, or may be used for further use or further processing. The resolution may be stored or transmitted. Hardware and software techniques for providing image data to printers or displays are well known to those of ordinary skill in the art.
도 18A의 시스템에 의해서 수행되는 본 발명의 이미지 데이터 저장 및 검색 방법은 도면내 블록도로부터 쉽게 추리된다. 도 18A의 이미지 포착 및 디스플레이 시스템에 의해서 수행되는 이미지 데이터 저장 및 검색 방법의 단계는 이러한 단계를 수행하는 소자들을 식별하는 동일한 참조 번호를 사용함으로써 표시된다. 따라서, 첫번째로, 단계(232)에서, 이미지가 이미저에 의해서 포착되고, 이미지 데이터세트가 형성된다. 그 후에, 단계(234)에서, 그 후에 이미지 데이터세트가 원한다면, 컬러 변환 및/또는 정정을 수행하기 위해서 처리된다. 그 후에, 단계(236)에서 데이터세트가 저장된다.The image data storage and retrieval method of the present invention performed by the system of FIG. 18A is easily inferred from the block diagram in the figure. The steps of the image data storage and retrieval method performed by the image capture and display system of Fig. 18A are indicated by using the same reference numerals to identify the elements performing these steps. Thus, first, in step 232, the image is captured by the imager, and an image dataset is formed. Thereafter, in step 234, the image dataset is then processed to perform color conversion and / or correction, if desired. Thereafter, the dataset is stored at step 236.
저장된 디지털 이미지를 디스플레이 또는 프린트하고자 하는 경우에, 컬러-정정된 이미지를 나타내는 저장된 데이터세트는 단계(238)에서 저장으로부터 검색된다. 원한다면, 저장된 컬러-정정된 이미지를 나타내는 검색된 데이터세트는 그 후에 단계(240)에서 보간될 수 있다. 마지막으로, 단계(242)에서, 그 후에 이미지 데이터세트는 사용자에 의해 요구되고 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자들에게 알려진 것처럼 디스플레이 또는 프린터에 제공된다.If it is desired to display or print the stored digital image, the stored dataset representing the color-corrected image is retrieved from storage in step 238. If desired, the retrieved dataset representing the stored color-corrected image may then be interpolated at step 240. Finally, at step 242, the image dataset is then provided to a display or printer as required by the user and known to those skilled in the art.
도 18A의 시험으로부터 관찰될 수 있는 바와 같이. 데이터세트 안의 데이터량 M은 보간 단계(240)에 이르기까지 저장 및 검색 과정을 통해서 일정하게 유지되며, 여기서 데이터세트의 크기가 보간 과정에 의해서 증가된다. 도 18A에서 주어진 예에서, 선택적인 보간 단계는 이미지 데이터세트 안의 데이터의 양을 M에서 4M으로 증가시킨다. 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자들은 도 18A에 도시된 예가 제한적이지 않는 예라는 것과, 본 발명의 원리들에 따라 수행되는 다른 보간 과정들이 4이외의 다른 계수들만큼 데이터의 양을 증가시킬 것이라는 점을 인식할 것이다.As can be observed from the test of FIG. 18A. The amount of data M in the dataset remains constant throughout the storage and retrieval process until the interpolation step 240, where the size of the dataset is increased by the interpolation process. In the example given in FIG. 18A, an optional interpolation step increases the amount of data in the image dataset from M to 4M. Those skilled in the art will appreciate that the example shown in FIG. 18A is a non-limiting example, and that other interpolation procedures performed in accordance with the principles of the present invention may increase the amount of data by coefficients other than four. Will recognize.
이제 도 18B을 참조하면, 도 18A의 본 발명의 이미지 포착 및 디스플레이 시스템과 방법에 대한 변형이 제시되어 있다. 도 18B의 실시예의 소자들과 처리과정 단계들이 도 18A의 실시예에서 제시되어 있기때문에, 도 18A에서 사용된 것과 같은 참조 번호들이 도 18B의 실시예의 대응하는 소자들과 단계들을 식별하기 위해 채용될 것이다.Referring now to FIG. 18B, a variation on the image capture and display system and method of the present invention of FIG. 18A is shown. Since the elements and processing steps of the embodiment of FIG. 18B are presented in the embodiment of FIG. 18A, reference numbers such as those used in FIG. 18A may be employed to identify corresponding elements and steps of the embodiment of FIG. 18B. will be.
도 18A에 도시된 본 발명의 이미지 포착 및 디스플레이 시스템과 방법의 변형시에, 이미저(232)로 부터의 풀 RGB 데이터세트는 어떠한 컬러 변환 또는 정정도 수행되지 않고 저장 소자(36) 안에 저장된다. 도 18B의 시험으로부터 볼 수 있는 바와 같이, 컬러 변환 및/또는 정정은 단계(238)에서 저장으로부터 검색된 이후에, 그리고 보간 및 디스플레이 또는 프린팅에 앞서 수행된다. 그렇지 않으면, 도 18B에 도시된 이미지 포착 및 디스플레이 시스템은 도 18A에 도시된 것과 동일해질 수 있다.In a variation of the image capture and display system and method of the present invention shown in FIG. 18A, the full RGB dataset from imager 232 is stored in storage element 36 without any color conversion or correction being performed. . As can be seen from the test of FIG. 18B, color conversion and / or correction is performed after retrieval from storage in step 238 and prior to interpolation and display or printing. Otherwise, the image capture and display system shown in FIG. 18B may be the same as that shown in FIG. 18A.
도 18B에 도시된 본 발명의 실시예에 의해서 수행되는 이미지 포착 및 디스플레이 방법은 이미지 데이터가 이미저에 의해 포착되고 이미지 데이터세트로 형성되는 도 18A의 방법과 같은 단계(232)로 시작한다. 그 후에, 단계(236)에서 로우 이미지 데이터세트가 저장된다.The image capture and display method performed by the embodiment of the present invention shown in FIG. 18B begins with step 232, such as the method of FIG. 18A, in which image data is captured by an imager and formed into an image dataset. Thereafter, in step 236 the raw image dataset is stored.
저장된 디지털 이미지를 디스플레이 또는 프린트하고자 하는 경우에, 저장된 이미지를 나타내는 데이터세트는 단계(238)에서 저장으로부터 검색된다. 그후, 컬러 정정 및/또는 변환이 단계(234)에서 검색된 데이터에 대하여 수행된다. 원한다면, 그 후에 컬러-정정된 이미지를 나타내는 데이터세트는 단계(240)에서 보간될 수 있다. 마지막으로, 단계(242)에서, 그 후에 데이터세트는 사용자에 의해 요구되고 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자들에게 알려진 것처럼 디스플레이 또는 프린터에 제공된다.In the case where it is desired to display or print a stored digital image, a dataset representing the stored image is retrieved from storage in step 238. Color correction and / or conversion is then performed on the data retrieved in step 234. If desired, then the dataset representing the color-corrected image may be interpolated at step 240. Finally, at step 242, the dataset is then provided to a display or printer as required by the user and known to those skilled in the art.
도 18B의 시험으로부터 관찰될 수 있는 바와 같이, 이미지 데이터세트 안의 데이터량 M은 보간 단계(240)에 이르기까지 저장 및 검색 과정을 통해서 일정하게 유지되며, 여기서 데이터세트 안의 데이터의 양이 보간 과정에 의해서 증가된다. 도 2b에서 주어진 예에서, 선택적인 보간 단계는 이미지 데이터세트 안의 데이터의 양을 계수 4만큼 M에서 4M으로 증가시킨다. 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자들은 도 2b 에 도시된 예가 제한적이지 않는 예라는 것과, 본 발명의 원리들에 따라 수행되는 다른 보간 과정들이 4와 다른 계수들만큼 이미지 데이터세트 안의 데이터의 양을 증가시킬 것이라는 점을 인식할 것이다.As can be observed from the test of FIG. 18B, the amount of data M in the image dataset remains constant throughout the storage and retrieval process until the interpolation step 240, where the amount of data in the dataset is subject to interpolation. Is increased by. In the example given in FIG. 2B, the optional interpolation step increases the amount of data in the image dataset by a factor of 4 from M to 4M. Those skilled in the art will appreciate that the example shown in FIG. 2B is a non-limiting example, and that the amount of data in the image dataset by other coefficients is 4 different interpolation procedures performed in accordance with the principles of the present invention. You will recognize that it will increase.
도 19A 및 19B는 본 발명에 따라 압축을 사용한 이미지 포착 및 디스플레이 시스템과 방법의 대안적인 실시예들의 블록도이다. 도 19A 및 19B의 실시예들에따르면, 이미지 데이터세트는 시스템 저장 요구들을 감소시키기 위해 압축될 수 있다. 도 19A 및 3B의 실시예의 어떤 소자들 및 처리과정 단계들은 도 19A 및 도 19B의 실시예들에 제시되어 있기때문에, 도 19A 및 도 19B에서 사용된 것과 같은 참조 번호들이 도 19A 및 도 19B의 실시예들의 대응하는 소자들과 단계들을 식별하기위해 채용될 것이다.19A and 19B are block diagrams of alternative embodiments of an image capture and display system and method using compression in accordance with the present invention. According to the embodiments of FIGS. 19A and 19B, the image dataset can be compressed to reduce system storage requirements. Since certain elements and processing steps of the embodiment of FIGS. 19A and 3B are presented in the embodiments of FIGS. 19A and 19B, the same reference numerals as used in FIGS. 19A and 19B refer to the implementations of FIGS. 19A and 19B. Examples will be employed to identify corresponding elements and steps.
이제 도 19A를 참조하면, 본 발명에 따라 압축을 사용하는 제2 이미지 포착 및 디스플레이 시스템(260)의 일 실시예가 제시되어 있다.Referring now to FIG. 19A, one embodiment of a second image capture and display system 260 using compression in accordance with the present invention is shown.
이미지 포착 및 디스플레이 시스템(260)은 이미 기술된 실시예를 참조하여 설명된 것처럼 풀 RGB 이미저(232)를 포함한다. 그 후에, 이미저(232) 안의 픽셀 센서들로부터 풀 RGB 출력 데이터세트는 이미지 데이터세트에 대한 켤러 변환 및 정정을 수행하기 위해서 컬러 정정기(234)에 의해서 처리된다. 컬러 정정기(234)는 도 17에 도시된 종래의 기술의 예, 및 도 18A, 18B에 도시된 본 발명의 실시예들처럼 구성될 수 있다. 본 발명의 이 실시예에 따른 컬러 정정은 선택적이며, 불필요하다고 생각되면 수행될 필요가 없다.Image capture and display system 260 includes a full RGB imager 232 as described with reference to the previously described embodiments. Thereafter, the full RGB output dataset from the pixel sensors in imager 232 is processed by color corrector 234 to perform conjugate conversion and correction on the image dataset. The color corrector 234 may be configured as the example of the prior art shown in FIG. 17 and the embodiments of the present invention shown in FIGS. 18A and 18B. Color correction according to this embodiment of the present invention is optional and need not be performed if deemed unnecessary.
선택적인 컬러 정정이 본 발명의 이미저(232)로부터의 이미지 데이터세트에 대해 수행된 이후에, 컬러 정정된 이미지 데이터세트는 그 후에 데이터 압축기(262)에서 데이터-압축 단계를 거치게 된다. 데이터 압축기(232) 안에서 본 발명에 따라 수행되는 데이터 압축 단계는 손실이 없는 압축 즉, 저장된 데이터가 후에 압축 해제되어 압축전의 데이터와 동일한 것을 생성해 낼 수 있거나, 또는 "거의 손실이 없는" 압축 단계이다. 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들이알 수 있는 바와 같이, 압축 집적 회로 또는 압축 소프트웨어를 작동시키는 마이크로프로세서와 같은 다양한 수단들이 이 기능을 수행하기 위해서 사용될 수 있다.After optional color correction is performed on the image dataset from imager 232 of the present invention, the color corrected image dataset is then subjected to a data-compression step at data compressor 262. The data compression step carried out in accordance with the invention in the data compressor 232 is lossless compression, ie the stored data can be decompressed later to produce the same as the data before compression, or a "little loss" compression step. to be. As will be appreciated by those of ordinary skill in the art, various means, such as a microprocessor that operates compression integrated circuits or compression software, may be used to perform this function.
종래의 방법들과 비교해 볼때, 여기 개시된 본 발명은 품질이 주된 관심사인 시스템에서 보다 나은 이미지 품질과 데이터 저장 요구들의 결합을 제공한다. 필터 모자이크를 통해서 컬러들을 감지하고, 보간하고, 압축하는 종래의 방법들은 필적하는 이미지 해상도와 저장 요구들의 결합을 성취하지만, 센서에서 앨리어싱이 생길 가능성이 있으며; 앨리어싱은 필터 모자이크를 통해 감지되는 잘 알려진 아티팩트이며, 후속 처리과정에 의해 완전히 정정될 수 없다.Compared with conventional methods, the present invention disclosed herein provides a better combination of image quality and data storage requirements in a system where quality is a major concern. Conventional methods of sensing, interpolating, and compressing colors through filter mosaics achieve a combination of comparable image resolution and storage requirements, but there is the potential for aliasing in the sensor; Aliasing is a well known artifact that is detected through filter mosaics and cannot be completely corrected by subsequent processing.
또한, 저장 전에 보간하지 않음으로써, 본 발명은 컬러 정정(매트릭싱, 불량 픽셀 교체 및 그와 같은 단계들)과 같은 이미지 처리과정 단계들이 이미지 데이터의 검색 이후에 행해지도록 허락하고, 따라서, 개선되고 수정된 처리과정 단계들이 검색 시간에 사용되도록 허락한다. 따라서, 이미지 품질은 처리과정과 정정 알고리즘에 의해서 이미지 포착 및 저장시에 회복 불가능하게 손상되지 않는다. 또한, 풀 RGB 이미지 센서가 각각의 픽셀 위치에서 3색 측정치 모두를 전달하기 때문에, 데이터는 데이터 보간 또는 다른 부연 동작들 없이 표준 RGB 스캔드(sanned) 이미지 포맷 파일에 저장될 수 있다; 본 발명의 이런 특성은 데이터가 표준적인 방법으로 저장되고 검색되도록 허락하여, 후속 처리과정이 표준 컬러 이미지 처리과정 툴들(tools)을 가지고 행해질 수 있다.Furthermore, by not interpolating before storage, the present invention allows image processing steps such as color correction (matrixing, bad pixel replacement and such steps) to be performed after retrieval of the image data and, therefore, is improved and Allow modified process steps to be used at retrieval time. Thus, image quality is not irreparably compromised in image capture and storage by processing and correction algorithms. In addition, since the full RGB image sensor delivers all three color measurements at each pixel location, the data can be stored in a standard RGB scanned image format file without data interpolation or other parallax operations; This feature of the present invention allows data to be stored and retrieved in a standard way so that subsequent processing can be done with standard color image processing tools.
압축을 채용한 본 발명의 실시예들에서, 예를 들어 약 절반으로 저장된 데이터세트의 크기를 더 감소시키는 반면, 똑같은 장점들이 유지될 수 있다. 표준 컬러 이미지 파일 포맷들을 사용하는 예로서, TIFF(tagged image file format) 표준은 표준 TIFF 파일 검색 툴들과 호환되는 손실없는 LZW(Lempel-ziv-Welch) 압축을 허용한다. 압축 해제된 데이터세트는 압축 전의 데이터세트와 정확히 일치하기 때문에, 이 저장 장점을 얻는데 필요한 품질의 어떤 손실도 없다.In embodiments of the present invention employing compression, the same advantages can be retained while further reducing the size of the stored dataset, for example about half. As an example of using standard color image file formats, the tagged image file format (TIFF) standard allows for lossless Lempel-ziv-Welch (LZW) compression that is compatible with standard TIFF file retrieval tools. Since the decompressed dataset exactly matches the dataset before compression, there is no loss of quality needed to achieve this storage advantage.
이미지 데이터세트와 같은 데이터의 저장은 일반적으로 픽셀당 컬러마다의 비트수와 같은 일종의 데이터 정밀 절충을 포함한다; 그 절충은 대체로 압축 이슈라기 보다는 표현 이슈로 관찰되어진다. 예를 들어, 이미지 센서는 일반적으로 광 강도를 측정하고, 10 ~ 14 비트들을 사용한 결과를 강도의 선형 표현으로 표시한다; 그러나 이미지로서 그 데이터를 전달하기 전에 그들은 종종 비선형 또는 감마-압축 표현으로 대부분 전환하며, 픽셀당 컬러마다 8비트들로 반올림한다. 이 정밀도 수준 및 이 비선형 표현에서, 초래되는 품질의 손실은 대체로 현저한 수준 이하이다. 본 발명에서, 데이터세트가 종래의 픽셀당 컬러마다 8 비트 표현으로 전환되고, 압축없이 또는 손실없는 압축을 가지고 저장된다면, 로우 데이터 또는 RGB 이미저로부터의 컬러 정정 처리된 데이터의 저장의 장점은 유지될 수 있다.The storage of data, such as image datasets, generally involves some sort of data precision compromise, such as the number of bits per color per pixel; The tradeoffs are usually observed as expression issues rather than compression issues. For example, an image sensor typically measures light intensity and displays the result using 10 to 14 bits in a linear representation of intensity; But before passing that data as an image, they often switch mostly to nonlinear or gamma-compressed representations, rounding to 8 bits per color per pixel. In this level of precision and in this non-linear representation, the resulting loss of quality is usually below a noticeable level. In the present invention, if the dataset is converted to a conventional 8 bit representation per color per pixel, and stored without compression or with lossless compression, the advantages of storing color corrected data from raw data or RGB imager are maintained. Can be.
또한, 특히 데이터세트가 컬러당 픽셀마다 적은 수의 비트들을 가진 표현으로 먼저 전환되지 않는 경우들에 있어서 "거의 손실없는" 압축 기술을 사용하여 이미지 데이터세트를 저정함으로써 똑같은 장점이 얻어질 수 있다. 예를 들어, 이미저 또는 컬러 정정기가 컬러당 픽셀마다 14비트들을 사용하는 이미지를 전달한다면, 검색되고 압축 해제된 데이터세트가 상당 수준 이하의 에러들을 유지하기 위해서 충분히 원래의 데이터세트에 근접하는 한, 거의 손실없는 압축 알고리즘이 데이터세트에 직접 사용될 수 있다.In addition, the same advantage can be obtained by storing the image dataset using a "little lossless" compression technique, especially in cases where the dataset is not first converted to a representation with a few bits per pixel per color. For example, if the imager or color corrector delivers an image using 14 bits per pixel per color, as long as the retrieved and decompressed dataset is close enough to the original dataset to maintain sub-level errors Almost no lossless compression algorithm can be used directly on the dataset.
본 발명의 목적을 위해서, 원래의 이미지와 압축 해제된 이미지 간의 에러가 8-비트 감마-압축 데이터를 전환하는 보통의 표현 과정의 에러의 3배보다 크지 않으면, 이미지 압축/압축 해제 기술은 "거의 손실없는" 것으로 정의된다 ; 그 에러들은 전형적인 이미지들에 대하여, 양자화의 통계치가 보통의 양자화에 대한 8 비트 LSB 과정의 1/3의 rms 에러를 제공하여, 8비트 감마-인코드 출력으로 거의 손실없는 압축/압축 해제를 위해 에러가 1 LSB 단계와 동일하도록 허락하는 제곱 평균 방식(root-mean-square sense)으로 측정된다.For the purposes of the present invention, if the error between the original image and the decompressed image is not greater than three times the error of the normal representation process of switching 8-bit gamma-compressed data, the image compression / decompression technique is " nearly " Lossless "; The errors indicate that for typical images, the quantization statistic gives an rms error of 1/3 of the 8-bit LSB process for normal quantization, allowing for almost lossless compression / decompression with 8-bit gamma-encoded output. Measured with root-mean-square sense, which allows the error to be equal to 1 LSB step.
"최고"의 품질 설정을 가진 JPEG를 포함하여, 대부분의 손실있는 이미지 압축 기술들은 큰 에러들을 초래하며, 따라서 여기서 정의된 바와 같은 "거의 손실없는" 부류에 속하지 않음을 주시하라. 임계치 결정이, Adobe Phtoshop과 같은 프로그램 안에서 작은 커브들 또는 수준 조정과 같은 몇몇의 전형적인 이미지 처리 단계들에 의해 더해진 노이즈의 양으로 대략 정해졌는데, 이는 그들이 대체로 매우 손실있는 작동들이라고 간주되지 않기 때문이다.Note that most lossy image compression techniques, including JPEGs with a "best" quality setting, cause large errors and therefore do not fall into the "almost lossless" class as defined herein. Threshold determination is roughly defined by the amount of noise added by small curves or some typical image processing steps, such as level adjustment, in a program like Adobe Phtoshop, because they are generally not considered very lossy operations. .
본 발명의 원리들에 따라 제조된 실제 실시예들과 함께 사용된 손실이 없거나 거의 손실이 없는 데이터 압축 중의 하나의 특별한 타입은 디자인 선택의 큰 문제이다.One particular type of lossless or almost lossless data compression used with practical embodiments manufactured in accordance with the principles of the present invention is a big problem of design choice.
데이터 압축 이후에, 압축된 이미지 데이터세트는 저장 소자(236) 안에 저장된다. 저장 소자(236)는 본 발명의 이미 기술된 실시예들에서 처럼, 자기 저장장치(예를 들어, 플로피 디스크들)또는 플래시 또는 랜덤 엑세스 메모리와 같은 디지털 반도체 메모리 저장장치와 같은 똑같은 수많은 형태들을 가질수 있다.After data compression, the compressed image dataset is stored in storage element 236. The storage element 236 may take many of the same forms as magnetic storage (eg, floppy disks) or digital semiconductor memory storage such as flash or random access memory, as in the already described embodiments of the present invention. have.
본 발명의 시스템과 방법에 따라서 저장된 디지털 이미지를 디스플레이 또는 프린트하고자 하는 경우에는, 컬러-정정된 이미지를 나타내는 저장된 데이터는 저장 검색 소자(238)에 의해서 저장 소자(236)로부터 최초로 검색된다. 본 발명의 이미 기술된 실시예에 따라, 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자들은 저장 검색 소자(220)의 특성은 그것과 함께 기능하는 저장 소자(218)의 특성에 의존한다는 것을 잘 알 수 있을 것이다.When it is desired to display or print a stored digital image in accordance with the systems and methods of the present invention, the stored data representing the color-corrected image is first retrieved from the storage element 236 by the storage retrieval element 238. In accordance with an already described embodiment of the present invention, those skilled in the art are well aware that the characteristics of the storage retrieval element 220 depend on the characteristics of the storage element 218 functioning with it. You will know.
도 19A를 다시 보면, 저장된 데이터가 저장 검색 소자(238)에 의해서 저장 소자(236)로부터 검색된 이후에, 그것은 데이터-확장 소자(264) 안에 확장 또는 압축 해제된다. 데이터-확장 소자(264)와 데이터 압축 소자(262)는 서로 반대되거나 거의 그러한 기능을 수행하기 때문에, 데이터-확장 소자(264)의 특성은 데이터 압축 소자(262)의 특성에 의존할 것이다. 데이터 확장 기술은 본 기술분야에서 잘 알려져 있다.Referring again to FIG. 19A, after the stored data is retrieved from the storage element 236 by the storage retrieval element 238, it is expanded or decompressed in the data-expansion element 264. Since the data-expansion element 264 and the data compression element 262 perform opposite or almost the same function, the characteristics of the data-expansion element 264 will depend on the characteristics of the data compression element 262. Data extension techniques are well known in the art.
검색된 이미지 데이터세트가 확장된 이후에는, 보간 소자(240)에 의해 보간된다. 보간 소자(240)는 여기서 이미 기술된 실시예들과 같게 할 수 있다. 여기서 이미 기술된 실시예에 따라, 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진자들은 보간 단계가 본 발명을 실행하기위해 불필요하다는 것을 인식할 것이다.After the retrieved image dataset is extended, it is interpolated by interpolation element 240. Interpolation element 240 may be the same as the embodiments previously described herein. In accordance with the embodiments already described herein, those skilled in the art will recognize that interpolation steps are not necessary to practice the invention.
마지막으로, 보간 소자(240)로 부터 보간된 이미지 데이터세트는 프린터들과 디스플레이들에 이미지 데이터를 제공하기 위한 공지된 하드웨어와 소프트웨어 기술들을 채용하여, 사용자에 의해 요구되는 것처럼 그 후에 디스플레이 또는프린터(242)에 제공된다.Finally, the interpolated image dataset from interpolation element 240 employs well-known hardware and software techniques for providing image data to printers and displays, after which the display or printer ( 242.
도 19A의 시스템에 의해 수행되는 본 발명의 이미지 데이터 저장 및 검색 방법은 도면내 블록도로부터 쉽게 추리된다. 도 19A의 이미지 포착 및 디스플레이 시스템에 의해서 수행되는 이미지 데이터 저장 및 검색 방법의 단계는 이러한 단계를 수행하는 소자들을 식별하는 동일한 참조 번호를 사용함으로써 표시된다. 따라서, 첫번째로, 단계(232)에서, 이미지가 이미저에 의해서 포착되고 이미지 데이터세트가 형성된다. 그 후에, 단계(234)에서, 컬러-정정된 이미지 데이터세트를 생성하기를 원하는 경우에, 이미지 데이터세트가 컬러 변화 및/또는 정정을 수행하기 위해서 처리된다. 그 후에, 단계(262)에서, 저장에 앞서, 손실이 없는 또는 "거의 손실이 없는" 데이터 압축이 컬러-정정된 이미지 데이터세트에 대하여 수행된다. 그 후에, 단계(236)에서는 압축된 이미지 데이터세트가 저장된다.The image data storage and retrieval method of the present invention performed by the system of FIG. 19A is easily deduced from the block diagram in the figure. The steps of the image data storage and retrieval method performed by the image capture and display system of Fig. 19A are indicated by using the same reference numerals to identify the elements performing these steps. Thus, first, in step 232, the image is captured by the imager and an image dataset is formed. Thereafter, in step 234, if it is desired to generate a color-corrected image dataset, the image dataset is processed to perform color changes and / or corrections. Thereafter, in step 262, lossless or “almost lossless” data compression is performed on the color-corrected image dataset prior to storage. Thereafter, in step 236, the compressed image dataset is stored.
저장된 디지털 이미지를 디스플레이 또는 프린트하고자 하는 경우에, 컬러-정정된 이미지를 나타내는 저장된 데이터는 단계(238)에서 저장으로부터 검색된다. 원한다면, 그 후에 컬러-정정된 이미지를 나타내는 검색된 데이터는 단계(240)에서 보간될 수 있다. 마지막으로, 단계(242)에서, 이미지 데이터세트는 사용자에 의해 요구되고 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자들에게 알려진 것처럼 디스플레이 또는 프린터에 제공된다.If it is desired to display or print the stored digital image, the stored data representing the color-corrected image is retrieved from storage in step 238. If desired, the retrieved data representing the color-corrected image may then be interpolated at step 240. Finally, at step 242, the image dataset is provided to a display or printer as required by the user and known to those of ordinary skill in the art.
도 19A의 시험으로부터 관찰될 수 있는 바와 같이, 저장된 데이터의 양은 도 18A 및 18B의 실시예에서 저장된 것 보다 작다. 도 18A 및 18B에 도시된 실시예들 안에서, 이미지 데이터세트 안의 데이터량 M은 보간 단계(240)에 이르기 까지 저장및 검색 과정을 통해서 일정하게 유지되며, 여기서 데이터의 양은 보간 과정에 의해서 증가될 수 있다. 도 3a에 주어진 예에서, 데이터 압축 단계는 이미지 데이터세트 안의 데이터의 양을 M/2로 감소시키지만, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자들은 다른 압축 비율들을 생성하는 다른 데이터 압축 단계들이 본 발명에 따라 수행될 수 있을 것이라는 점을 인식할 수 있을 것이다.As can be observed from the test of FIG. 19A, the amount of stored data is smaller than that stored in the examples of FIGS. 18A and 18B. In the embodiments shown in Figures 18A and 18B, the amount of data M in the image dataset remains constant throughout the storage and retrieval process up to the interpolation step 240, where the amount of data can be increased by the interpolation process. have. In the example given in FIG. 3A, the data compression step reduces the amount of data in the image dataset to M / 2, although those of ordinary skill in the art will appreciate that other data compression steps that produce different compression ratios are present invention. It will be appreciated that it may be performed according to.
도 18A 및 18B의 실시예에서와 같이, 도 19A의 실시예에서 데이터 확장 이후에 수행되는 선택적인 보간 단계는 이미지 데이터세트 안의 데이터의 양을 M에서 4M으로 증가시킨다. 본 기술분야에서 통상의 기술을 가진 자들은 도 18A에 도시된 예가 제한적이지 않은 예라는 것과, 본 발명의 원리들에 따라 수행되는 다른 보간 과정들이 4이외의 다른 계수들에 의해 데이터세트 안의 데이터의 양을 증가시킬 것이라는 것을 인식할 것이다.As in the embodiments of FIGS. 18A and 18B, an optional interpolation step performed after data expansion in the embodiment of FIG. 19A increases the amount of data in the image dataset from M to 4M. Those skilled in the art will appreciate that the example shown in FIG. 18A is a non-limiting example, and that other interpolation procedures performed in accordance with the principles of the present invention may be performed by means of coefficients other than four. You will recognize that you will increase the volume.
이제 도 19B를 참조하면, 도 19A의 본 발명의 이미지 포착 및 디스플레이 시스템과 방법에 대한 변화들이 제시되어 있다. 도 19B의 실시예의 소자들과 처리과정 단계들이 도 19A의 실시예에 제시되어 있기 때문에, 도 19A에서 사용된 것과 같은 참조 번호들은 도 19B의 실시예의 대응하는 소자들과 단계들을 식별하기위해 채용될 것이다.Referring now to FIG. 19B, changes to the image capture and display system and method of the present invention of FIG. 19A are presented. Since the elements and processing steps of the embodiment of FIG. 19B are presented in the embodiment of FIG. 19A, reference numerals such as those used in FIG. 19A may be employed to identify corresponding elements and steps of the embodiment of FIG. 19B. will be.
도 19B에 도시된 본 발명의 이미지 포착 및 디스플레이 시스템과 방법의 변형시에, 이미저(232)로부터의 압축된 RGB 데이터세트가 어떤 컬러 변환 또는 정정도 수행됨이 없이 저장 소자(236) 안에 저장된다. 도 18B의 시험으로부터 볼 수 있듯이, 컬러 변환 및/또는 정정은 단계(238)에서의 저장으로부터 이미지 데이터세트의 검색 및 단계(264)에서의 데이터 확장 이후, 및 보간과 디스플레이 또는 프린팅에 앞서 수행된다. 그렇지 않으면, 도 19B에 도시된 이미지 포착 및 디스플레이 시스템은 도 19A에 도시된 것과 동일해 질 수 있다.In a variation of the image capture and display system and method of the present invention shown in FIG. 19B, a compressed RGB dataset from imager 232 is stored in storage element 236 without any color conversion or correction being performed. . As can be seen from the test of FIG. 18B, color conversion and / or correction is performed after retrieval of the image dataset from storage in step 238 and data expansion in step 264, and prior to interpolation and display or printing. . Otherwise, the image capture and display system shown in FIG. 19B can be the same as that shown in FIG. 19A.
도 19B에 도시된 본 발명의 실시예에 의해 수행되는 이미지 포착 및 디스플레이 방법은 도 19A의 방법과 같은 단계(232)로 시작하며, 여기서 이미지 데이터가 이미저에 의해 포착되고, 이미지 데이터세트가 형성된다. 그 후에, 단계(262)에서, 데이터 압축이 이미저(232)로부터의 이미지 데이터세트에 대하여 수행된다. 그 후에, 압축된 이미지 데이터는 단계(236)에서 저장된다.The image capture and display method performed by the embodiment of the present invention shown in FIG. 19B starts with step 232, such as the method of FIG. 19A, where image data is captured by an imager and an image dataset is formed. do. Thereafter, in step 262, data compression is performed on the image dataset from imager 232. Thereafter, the compressed image data is stored at step 236.
저장된 디지털 이미지를 디스플레이하거나 프린트하고자 하는 경우에, 이미지를 나타내는 저장된 데이터세트는 단계(238)에서 저장으로부터 검색된다. 그 후에, 데이터세트는 단계(264)에서 압축 해제된다. 그 후에, 컬러 정정 및/또는 변환은 단계(234)에서 검색된 이미지 데이터세트에 대하여 수행된다. 원한다면, 그 후에 컬러 정정된 이미지 데이터세트는 단계(240)에서 보간될 수 있다. 마지막으로, 단계(242)에서, 이미지 데이터가 사용자에 의해 요구되고 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자들이 알고 있는 것처럼 디스플레이 또는 프린터에 제공된다.If it is desired to display or print a stored digital image, the stored dataset representing the image is retrieved from storage in step 238. Thereafter, the dataset is decompressed at step 264. Thereafter, color correction and / or conversion is performed on the retrieved image dataset in step 234. If desired, the color corrected image dataset may then be interpolated at step 240. Finally, at step 242, image data is provided to the display or printer as required by the user and as is known by those of ordinary skill in the art.
본 발명의 실시예들과 적용들이 도시되고 기술되었으나, 본 기술분야에서 통상의 지식을 가진자들은 여기있는 발명의 개념들에서 벗어남이 없이 상기된 수정들보다 더 많은 수정들이 가능하다는 것은 분명하다. 따라서, 본 발명은 첨부된 청구범위의 정신을 제외하고는 제한되지 않는다.While embodiments and applications of the present invention have been shown and described, it will be apparent to those skilled in the art that many more modifications are possible than those described above without departing from the inventive concepts herein. Accordingly, the invention is not to be restricted except in the spirit of the appended claims.
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